TÄTIGKEITSBERICHT 2006

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1 TÄTIGKEITSBERICHT 2006 Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V.

2 Bildnachweis Deckblatt oben links: Thermografieaufnahme PEM Brennstoffzelle (IUTA 2006) oben rechts: IUTA Immissions-Messcontainer (IUTA 2006) unten links: DIN / EN 779 Versuchsstand (IUTA 2006) unten rechts: CFD-Simulation Labor mit Sicherheitswerkbank (IUTA 2006) Impressum IUTA Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. Institut an der Universität Duisburg-Essen Bliersheimer Str. 60 D Duisburg Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Geschäftsführender Vorstand Prof. Dr.- Ing. K. G. Schmidt, Wissenschaftlicher Leiter Dipl.- Volkswirt G. Schöppe, Kaufmännischer Geschäftsführer Dr.-Ing. St. Haep, Wissenschaftlich Technischer Geschäftsführer Dr.-Ing. E. Erich, Stellvertretender Geschäftsführer Dipl.- Ing. J. Schiemann, Stellvertretender Geschäftsführer Redaktion Prof. Dr.- Ing. K. G. Schmidt Dr.- Ing. S. Haep Druck Zentrale Vervielfältigungsstelle Universität Duisburg Essen, Campus Duisburg

3 TÄTIGKEITSBERICHT 2006 Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. Institut an der Universität Duisburg Essen

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5 TÄTIGKEITSBERICHT Vorwort Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf Organisation und Arbeitsweise Geschäftsverlauf Förderverein des Instituts für Energie- und Umwelttechnik e. V. (FVEU) Kompetenzen der Bereiche - expertise of departments Arbeitsschwerpunkte und technische Ausstattung der Bereiche Gasreinigungsverfahren / Molekulare Kontamination Untersuchungen zum Verhalten von Quecksilber zur Optimierung der nassen Abgaswäsche Weiterentwicklung eines Prüfkanals und wissenschaftliche Untersuchungen von Koaleszerelementen nach DIN EN Untersuchung des Einflusses keramischer Dielektrika bei der Entwicklung einer elektrostatischen Feinstpartikelabscheidung für den Kombi-Kraftwerksprozess mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF) Einfluss von Ladungseffekten bei Nano-Partikeln in Hochtemperaturprozessen Entwicklung einer Anlagen-Reinigungstechnologie für die Lebensmittelindustrie, die das Verschleppen allergener Lebensmittelbestandteile vermeidet Entwicklung eines standardisierten Verfahrens zur Erzeugung eines Prüfaerosols mit definierten Ladungseigenschaften Entwicklung eines katalytisch-aktiven Filters zur Eliminierung gasförmiger Zytostatika im Abluftstrom von Sicherheitswerkbänken ZuTech-Projekt Realitätsnahe Prüfmethode von Zytostatika- und Sicherheitswerkbänken Teil II Experimentelle und theoretische Untersuchung der Sublimation bzw. Verdunstung von Partikeln im submikronen Größenbereich Luftgetragene Partikel/ Luftreinhaltung Nanopartikel an Arbeitsplätzen in der Produktion Verbundprojekt NanoCare Gesundheitsrelevante Aspekte synthetischer Nanopartikel: Schaffung einer allgemeinen Informations- und Wissensbasis als Grundlage für eine innovative Materialforschung Validierung und Weiterentwicklung eines personengetragenen Thermalpräzipitators für die Messung ultrafeiner Partikel und deren Agglolmerate an Arbeitsplätzen Ermittlung des Beitrages von Reifen-, Kupplungs-, Brems- und Fahrbahnabrieb an den PM 10 -Emissionen von Straßen

6 4.3 Filtration und Umweltverfahrenstechnik Filterprüfstand Filterprüfungen mit Dieselabgas am Geruchsfilterprüfstand im IUTA Produktionsintegrierter Umweltschutz (PIUS) Entstaubung und Optimierung der katalytischen Emissionsminderung von Rauchgasen aus holzbetriebenen Klein- und Kleinstfeuerungsanlagen Verwertung von Altbeizsäuren bei der Aufbereitung von Composite-Verpackungen Entwicklung und Erprobung einer katalytisch spaltenden Hydrierung und katalytischen partiellen Oxidation zur Aufbereitung teerhaltiger Brenngase aus der Biomassevergasung Entwicklung, Bau und Erprobung eines Reformers zur dynamischen Brenngaserzeugung aus Erdgas für Polymermembran-Brennstoffzellen (PEMFC) zum Einsatz in der Hausenergieversorgung Einsatz eines Analysenverfahrens zur Erfassung mineralölstämmiger und biogener Kohlenwasserstoffe in Böden und Bodenersatzstoffen sowie zur Abschätzung ihres Wassergefährdungspotenzials Die Erzeugung motorentauglicher Brenngase aus der Vergasung von Biomasse Kombivergaser zur energetischen Nutzung von Alt- und Restholz Energietechnik / Brennstoffzellentechnik Energietechnik Brennstoffzellentechnik Umweltmedizin / Analytik Abteilung Arbeitsschutzrelevante Pharmaka Arzneimittel in der Umwelt Innenraumhygiene Methodenentwicklung und Forschungsanalytik Analytical services for R&D Innovative Chromatografische Verfahren Kreislaufwirtschaft und Recycling Pilotprojekt Produktionsschule Untersuchung der Recyclingfähigkeit der verschiedenen Brennstoffzellen-Typen und deren Komponenten sowie Entwicklung geeigneter Verwertungsmethoden Entwicklung einer Demonstrationsanlage zur sicheren, kontinuierlichen Entnahme von Brenngasen aus zu entsorgenden Kühlgeräten Messstelle Leistungsspektrum der Messstelle Wissenschaftliche Begleitforschung zu dem Demonstrationsvorhaben Immissionsabhängige dynamische Verkehrssteuerung

7 4.8.3 Immissionsmessungen zur Ermittlung der Feinstaubbelastung (PM 10 ) an einer verkehrsbelasteten Station (Asterlager Straße) in Duisburg-Rheinhausen Industrielle Messungen der Druckluftqualität mit dem mobilen IUTA - Prüfstand Anhang Vorträge Veröffentlichungen Poster Auftraggeber Mitarbeit in Ausschüssen und Arbeitskreisen Mitglieder des Verwaltungsrats des Instituts für Energie- und Umwelttechnik e. V Mitglieder des Fördervereins des Instituts für Energie- und Umwelttechnik e. V Wegbeschreibung zu IUTA

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9 1 Vorwort iuta Vorwort Ein Jahresrückblick lässt sich leichter schreiben, wenn das Jahr erfolgreich geendet hat. Das war in den vergangenen fünfzehn Jahren, in denen ich diese Aufgabe wahrgenommen habe, nicht immer der Fall. Doch diesmal setzt sich der überaus positive Trend des vorangegangenen Jahres fort. Die Zahl der neuen, begonnenen, bewilligten und befürworteten Projekte im Bereich der Gemeinschaftsforschung, die industriellen Kooperationen und generell die Auftragslage haben sich überproportional entwickelt. In Folge konnten neue Mitarbeiter gewonnen und eingestellt werden, um den Anforderungen gerecht zu werden. Solche Schübe gab es für das Institut bislang stets in Verbindung mit neuen Richtlinien, Gesetzen oder Verordnungen, wie zum Beispiel dem EMDA-Plan (Emissionsminderung für Dioxine an Abfallverbrennungsanlagen), der Schredderschrott-Verordnung, der Elektronikschrottverordnung usw. Diesmal ist ein Teil der Entwicklung sicher der allgemein verbesserten wirtschaftlichen Lage des Bundes, der Länder und insbesondere der Industrie zuzuschreiben. Gerade hier profitiert das Institut von einer zunehmenden Anzahl industriegebundener Projekte. Ein ganz wesentlicher Aspekt ist aber der gefestigte Ruf des IUTA als kompetenter, zuverlässiger Partner in Forschung und Entwicklung und die Anerkennung, die einzelne Arbeitsgruppen des Instituts national und international als Folge ihrer Arbeit erfahren. Die vermehrte Aufforderung an unsere Mitarbeiter, ihre Fachkompetenz als ehrenamtliche Tätigkeit in noch mehr Arbeitsausschüssen, Gremien und Veranstaltungen einzubringen und in den entsprechenden Spiegelgremien im Land und in der Europäischen Gemeinschaft mitzuwirken, endet häufig an unseren finanziellen Grenzen und der physischen Belastbarkeit dieser Experten. Diese nach außen meist unspektakuläre Tätigkeit dient in gewisser Weise der Dokumentation des Standes von Forschung, Entwicklung und Technik. Letzterer ist wiederum der Meilenstein, von dem aus Innovation und Fortschritt zu messen sind. Diese an sich wichtige Arbeit wird zumeist als unwissenschaftlich abgewertet. Wie aus Kreisen des Bundeswirtschaftsministeriums zu hören ist, soll sich das zumindest aus dessen Sicht ändern. Immerhin sind nun auch in Projekten des BMBF, wie schon länger in den AIF- Projekten, normative Ergebnisse, die der Standardsetzung dienen, als Projektziele förderfähig, und steuerliche Anreize sind als begleitende Maßnahme im Gespräch. Die Fachkompetenz ist zunehmend auch gefragt im Bereich der Gemeinschaftsforschung und in jenen Gremien, in denen über die aktuelle Forschung berichtet wird oder neue Forschungsinitiativen entstehen sollen. Diese wichtige und ehrenvolle Tätigkeit ist ein wertvoller Ansatz für die Entwicklung von Forschungsfeldern im eigenen Hause und Basis neuer Projekte und erweiterter Förderungsmöglichkeiten, bindet aber ebenfalls Zeit und Ressourcen. Umso erfreulicher ist es festzustellen, dass trotz der vielen Aktivitäten auch an den Projekten im Hause gute Fortschritte erzielt werden konnten und sich aus den Ergebnissen nicht nur neue Erkenntnisse entwickeln ließen, sondern auch neue Ideen generiert werden konnten. Nach vielen Jahren der Tätigkeit in Forschungsinstituten darf man sich eigentlich nicht mehr wundern, dass der Weg von der Idee zur Realisierung so lang ist, und dennoch steht man immer wieder verwundert vor der 7

10 1 Vorwort iuta 2006 gleichen Tatsache. Dasselbe gilt auch für die Fortschritte in allen Umweltfragen. Gerne übernimmt die Öffentlichkeit hehre Ideen von Ökologie und Verantwortung gegenüber zukünftigen Generationen und die Politik springt auf diesen Zug auf. Die Zeitungen sind voll von Schlagworten, aber sie beißen nicht, und auch die Industrie schaut mitunter mehr auf Förderprogramme, statt eigenes Kapital in die Hand zu nehmen. Vieles, was in Hochglanzprospekten abgedruckt und für die Zukunft projiziert wird, ist Zukunftsmusik und in meinen Augen nicht seriös hinterlegt oder man möge mir verzeihen oder mich vom Gegenteil überzeugen zum Abstecken der Claims inszeniert. müssen, dass die Staubemissionen unter einem festzulegenden Limit liegen. Die im IUTA betriebenen Entwicklungsarbeiten zu einem Ofenkatalysator finden dabei große Beachtung, sowohl bei potenziellen Anwendern als auch beim Bundesumweltministerium und Umweltbundesamt. Katalysatoren werden konsequenterweise auch erforderlich werden für alle bisher genehmigungsfreien kleinen stationären oder mobilen Verbrennungsmotoren auch, oder gerade, wenn sie mit Brennstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden, worunter auch die mit dem umstrittenen Pinienöl betriebenen Motoren fallen. Es bleibt die Tatsache, dass noch Etliches an Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten ist, ehe die angepriesenen Problemlösungen als Stand der Technik bezeichnet werden können. Alles was bisher auf dem ökologischen Pfad nachwachsender Rohstoffe zur Energiegewinnung anvisiert wird, hat noch Defizite und ein riesiges Entwicklungspotenzial. Der Aufwand, der geleistet werden muss, um durch physikalisch-chemische Verfahren die Aufbereitungsschritte der Ausgangsstoffe und die Aufarbeitung der Produkte als Reststoffe oder Abgas zu bewältigen, wird allzu gerne verharmlost oder außer Acht gelassen. Das hohe Lob der Wärmenutzung von Biomasse in Kleinfeuerungsanlagen muss verstummen angesichts der Beiträge, die aus solchen Anlagen zur Luftverschmutzung hinsichtlich Feinstaub und unverbrannter, gasgetragener, organischer Verbindungen emittiert werden. Immerhin kommt auch hier Bewegung in die Szene, wenn die 1. BImSchV dahingehend geändert wird, dass solche Kleinfeuerungsanlagen wenigstens in einer Art Typprüfung nachweisen Bei der Zielrichtung, durch höhere Energieeffizienz zu einem verbesserten Verhältnis von gewonnener Energie zu freigesetztem CO 2 zu kommen, kämpft man sich um Bruchteile von Prozentpunkten vorwärts. Auch hier tut sich ein weites Feld für weitergehende Forschung auf. Als Hilfsmittel für neue Entwicklungen werden immer raffinierter angelegte Rechenmodelle und Simulationen durchgeführt, die immer mehr Verknüpfungen innerhalb der Problemketten erlauben. Es ist phantastisch, was unsere Rechenkünstler alles in ihre Modelle hineinpacken können. Der kleine Stachel dabei ist, dass man für die Kalibrierung und Evaluierung der Modelle auf Daten zurückgreifen muss, die in entsprechenden Standardwerken wie zum Beispiel dem VDI-Wärmeatlas oder dem Heat Exchanger Design Handbook entnommen werden müssen. Diese Daten und Diagramme fußen zum wesentlichen Teil auf Experimenten, die schon vor vielen Jahren mit wissenschaftlicher Akribie an den renommierten Instituten in Deutschland, Großbritannien und den USA mit erheblichem apparativen Aufwand gewonnen wurden. Die elektroni- 8

11 1 Vorwort iuta 2006 schen Hilfsmittel waren damals eher bescheiden, und zwar sowohl was die Messtechnik anbelangte als auch die rechnerische Auswertung. Vielfach wird übersehen, dass experimentelle Daten einen Vertrauensbereich haben, also als ungenaue Zahlen zu werten sind. So ist es berechtigt, darauf hinzuweisen, dass die Jagd nach Prozentpunkten in der Effizienzsteigerung um neue experimentelle Basisdaten nicht herumkommen wird. Das ist unter anderen ein wesentliches Ziel aller am IUTA durchgeführten experimentellen Untersuchungen, eine belastbare eigene Datenbasis für die jeweiligen Prozesse zu generieren. Bei den Untersuchungen zur Sequestrierung von CO 2 aus Rauchgasen ist zum Beispiel eine solche Datensammlung entstanden. Auf die Untersuchungen, die während vielfältiger Messkampagnen an verschiedenen Orten entstanden sind, wird gerne zurückgegriffen. Eine herausragende Stellung in der öffentlichen Bewertung haben auch alle Untersuchungen, die im Bereich der Feinstäube, sei es drinnen oder draußen, durchgeführt werden. Enorm gewachsen ist auch der Untersuchungsumfang im Bereich der Bewertung von Filtermedien, der von der Industrie an IUTA herangetragen wird. Die am Institut installierten Prüfanlagen sind einmalig, und einmalig ist auch die diesen Projekten zu Grunde liegende hervorragende Zusammenarbeit mit der Universität Duisburg- Essen. Auch mit dem Zentrum für Brennstoffzellentechnik wird die Zusammenarbeit immer intensiver. Nicht nur, dass Herr Dipl.-Volksw. Günter Schöppe die zusätzliche Funktion als Kaufmännischer Geschäftsführer dieses Instituts übernommen hat und in der uns aus seiner Tätigkeit im IUTA bekannten Aktivität die Zusammenarbeit forciert, wächst auch die Zahl gemeinsamer Projekte für die Umsetzung verfahrenstechnischer Lösungsansätze bei Brennstoffzellen. Das ursprüngliche Arbeitsfeld der Minderung von Kontaminationen im pharmazeutischen Bereich hat sich nach und nach verselbständigt und wächst mit immer neuen Aufgaben und Ideen. Die Fortbildungsveranstaltung Sicherer Umgang mit Zytostatika ist ein Renner, und wir sind sehr stolz darauf, dass wir die Berufsgenossenschaft mit im Boot haben. Die uns teure Chemie hat sich mit Projekten im Bereich der Dekontamination belasteter Abwässer nicht nur ein Forschungs- und Experimentierfeld geschaffen, sondern findet darüber hinaus zunehmend Beachtung in der Fachwelt. Auch die Messstelle ist mit Aufträgen voll ausgelastet und wächst durch immer neue Herausforderungen bei komplexen Messaufgaben. Als Wissenschaftlicher Leiter eines so gut funktionierenden Instituts muss man darauf setzen, dass es weiter aufwärts geht und darauf vertrauen, dass alles gut geht. Alleine schaffen wir das nicht, das haben die vergangenen Jahre zur Genüge gezeigt. Und so, wie unsere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in den eingangs erwähnten ehrenamtlichen Tätigkeiten bei anderen Organisationen mitwirken, haben auch wir die Heerschar von Freunden, Förderern und Gönnern, die uns in gleicher Weise ehrenamtlich zur Seite stehen. Im Verwaltungsrat gibt uns Herr Professor Dr. Andres Kecskémethy als Vorsitzender die notwendige Rückendeckung und engagiert sich für Gegenwart und Zukunft des Instituts und die Zusammenarbeit des Instituts mit der Universität. Die Mitglieder des Verwaltungsrats und des Vereins stärken uns in unseren Bemühungen und helfen uns mit Rat und Tat. Auch den Mitgliedern des Wissenschaftlichen Beirats des Vereins zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik (VEU) und seinem 9

12 1 Vorwort iuta 2006 Vorsitzenden, Herrn Prof. Dr.-Ing. Bernd Neukirchen, ist herzlich zu danken. Die Erfolge, die IUTA bei der Beantragung von Vorhaben in der industriellen Gemeinschaftsforschung bei der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke (AiF) erzielen konnte, gehen zu einem wesentlichen Teil auf die Arbeit dieses Wissenschaftlichen Beirats zurück, insbesondere auch auf das Engagement seines Vorsitzenden, Herrn Dr. Günther Holtmeyer. Herr Dr. Holtmeyer hatte auch den Vorsitz im Förderverein des Instituts für Energie- und Umwelttechnik e. V., FVEU, so viele Jahre inne, dass er um seine Ablösung bat. Als Nachfolger hat die Mitgliederversammlung Herrn Dr. W. Steudle von der Zander GmbH gewählt. Die finanzielle Unterstützung durch den Förderverein des Instituts für Energie- und Umwelttechnik und die Projektförderung durch das Ministerium für Innovation, Wissenschaft, Forschung und Technologie (MiWFT) und das Ministerium für Wirtschaft, Mittelstand und Energie (MWME) des Landes NRW, durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen und die Deutsche Bundesstiftung Umwelt verdienen, gebührend anerkannt zu werden. Zusammen leisten sie einen wesentlichen Beitrag zur Unabhängigkeit von IUTA. Das Vorwort ist die geeignete Stelle, den Mitarbeitern für die geleistete Arbeit und für ihren unermüdlichen Einsatz und den Kollegen im Vorstand des Instituts besonderen Dank auszusprechen. Das gilt ganz besonders für Herrn Schöppe und Herrn Dr. Haep. Besonders herausstellen möchte ich auch das Engagement unserer wissenschaftlichen Berater. Herr Prof. Dr. H. Fissan erschließt uns neue Arbeitsfelder und Kontakte, insbesondere in die USA und stellt uns seine Kompetenz zur Verfügung. Rund um das Thema Filterprüfungen ist Akad. Rat. Dr.-Ing. habil. F. Schmidt mit eigenen und gemeinschaftlichen Projekten aktiv und trägt damit im Wesentlichen die Verbindung zwischen der Universität Duisburg- Essen und IUTA. Duisburg, im Mai 2007 Prof. Dr.-Ing. K. G. Schmidt (Wissenschaftlicher Leiter und Vorsitzender des Vorstands, IUTA e. V.) 10

13 2 Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf iuta Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf 2.1 Organisation und Arbeitsweise IUTA hat die Rechtsform eines eingetragenen Vereins. Der Verein ist als gemeinnützig anerkannt und betätigt sich dementsprechend auch überwiegend gemeinnützig. Sowohl für den gewerblichen als auch den gemeinnützigen Bereich versteht sich IUTA als unternehmerisch handelndes Institut, das das Ziel einer Verwertung der erarbeiteten FuE-Ergebnisse verfolgt. Öffentliche Förderung wird für Forschungs- und Entwicklungsprojekte angestrebt, deren Ergebnisse praxisrelevant sind und in der weiteren Betätigung von IUTA zu Erlösen durch Technologietransfer führen sollen. Insofern strebt IUTA auch bei gemeinnützigen Vorhaben und Vorhaben der industriellen Gemeinschaftsforschung stets Praxisnähe und eine enge Kooperation mit Industriepartnern an. Es sind im überwiegenden Maße Vorbereitungshandlungen für Auftragsforschungsprojekte in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen. Abbildung 2.1 Organigramm IUTA 11

14 2 Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf iuta 2006 Im Jahre 2006 bestand der Vorstand des Instituts im Sinne des 26 Abs. 2 BGB aus dem wissenschaftlichen Leiter, dem kaufmännischen Geschäftsführer, dem wissenschaftlichtechnischen Geschäftsführer sowie zwei stellvertretenden Geschäftsführern, die zusammen die Geschäfte des Instituts in Abstimmung mit einem wissenschaftlichen Board, bestehend aus der Geschäftsleitung, den wissenschaftlichen Beratern und den Bereichsleitern, führen. 2.2 Geschäftsverlauf Die nachstehende Darstellung und Erläuterung des Geschäftsverlaufs im Geschäftsjahr 2006 ist im Wesentlichen eine gekürzte Fassung des Lageberichtes für das Geschäftsjahr 2006, der zusammen mit dem korrespondierenden Bericht über die Prüfung des Jahresabschlusses den zuständigen Gremien des IUTA e. V. zugeleitet wird. Besondere Ereignisse des Jahres 2006 Das Geschäftsjahr 2006 war für IUTA wie auch im Jahre 2005 ein sehr erfreuliches Jahr. Die deutsche Wirtschaft erlebt seit etwa zwei Jahren einen deutlichen Aufschwung. Das wirtschaftliche Klima hat sich in diesem Zeitraum deutlich verbessert, und die Bereitschaft der Unternehmen zu Innovationen und zu Investitionen in Forschung und Entwicklung hat spürbar zugenommen, insbesondere auch in den für IUTA relevanten Arbeitsbereichen. Parallel zu diesem Aufschwung stehen für Forschung und Entwicklung sowohl auf Bundes- als auch auf Länderebene die in den Haushaltsplänen vorgesehenen Mittel auch tatsächlich zur Verfügung, und sie sind zum Teil aufgestockt worden. IUTA nutzt diese Entwicklung im Rahmen der personellen Kapazitäten konsequent mit der Beantragung von Fördermitteln für drittmittelfinanzierte Projekte sowohl auf Bundes- als auch auf Länderebene sowie auch auf der Ebene sonstiger Zuwendungsgeber. Landauf und landab ist es spürbar, dass nicht nur über die Notwendigkeit verstärkter FuE- Förderung gesprochen, sondern auch danach gehandelt und dabei konsequent Spitzenleistung und Excellenz, und vor allem auch Praxisbezug eingefordert wird. IUTA war im abgelaufenen Jahr für diese Entwicklung gut vorbereitet und konnte seine Position mit den IUTA- Arbeitsschwerpunkten weiter festigen und ausbauen und sich auch neue Arbeitsfelder erschließen. Trotz eines optimistischen Ausblicks auf 2007 und kommende Jahre ist die Entwicklung der FuE-Förderung insbesondere in NRW mit zum Teil zunehmender Bürokratie und zeitaufwändiger Administration verbunden, und der Kostendruck in Richtung Eigenmittelbeschaffung spürbar. Es bündelt Ressourcen, verschlechtert die Erlössituation, wirkt sich auch negativ auf das Ranking bei den Hausbanken aus und gefährdet letztlich die Substanz, aus der heraus neue Ideen geboren werden. Dringend erforderlich ist, dass diese Entwicklung auch von den politischen Entscheidungsträgern als ein wichtiges Problem- und Handlungsfeld wahrgenommen wird, dem man nicht nur mit Controlling- und Evaluationsmaßnahmen begegnen darf. Leider hat man den Eindruck, dass das Gegenteil stattfindet, insbesondere nach Ereignissen wie an der FH Gelsenkirchen. 12

15 2 Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf iuta 2006 Energie- und Umwelttechnik im Rahmen der gesamtwirtschaftlichen Entwicklung Die deutsche Industrie hat in den vergangenen Jahrzehnten außerordentlich hohe Investitionen in Maßnahmen zur Minderung und Vermeidung von Emissionen aus mobilen und stationären technischen Anlagen getätigt. Deutschland kommt hier im europäischen Raum sicherlich eine Vorreiterrolle zu, die es auch in Zeiten der Öffnung der Märkte und des verstärkten Kostendrucks zu verteidigen gilt. Die ökonomischen Aspekte der Umweltforschung und Umweltpolitik treten daher immer mehr in den Vordergrund, insbesondere wenn es darum geht, technische Innovationen bis zur Marktreife und -etablierung im Zusammenspiel mit kleinen und mittelständigen Unternehmen wie auch der Großindustrie voranzutreiben. Gerade wenn öffentliche Gelder zur Unterstützung der Forschung eingesetzt werden, stellen die Frage nach den technischen Aussichten auf eine spätere Realisierung, den Chancen für neue Produkte auf den jeweiligen nationalen und internationalen Märkten sowie den Perspektiven für den Erhalt oder die Schaffung neuer Arbeitsplätze am Standort Deutschland mittlerweile ein entscheidendes Kriterium für oder wider einer Förderung dar. Für IUTA sind Ökologie und Ökonomie von Beginn an nur zwei Seiten einer Medaille. Sie stehen sich nicht konträr und unvereinbar gegenüber, sondern müssen immer unter den jeweiligen Randbedingungen austariert werden. Das Beobachten des Marktes gehört damit auch zu den Kernkompetenzen der Mitarbeiter und ermöglicht auch Einschätzungen für die zeitliche Reife der Umsetzung einer technischen Innovation. Die Nähe zum Kunden ist daher unabdingbar und auch ein Markenzeichen des Instituts, welches sich sowohl als Forschungs- als auch Prüf- bzw. Analytik-Dienstleister versteht. In diesem Zuge wurden 2006 weiter Anstrengungen zur Verbesserung der technischen Ausstattung im Bereich der Prüfstände und des Analytik-Labors vorgenommen. Neben der technischen Exzellenz hat IUTA, gewachsen über mehr als 15 Jahre, eine professionelle Organisationsstruktur aufgebaut. Teams mit üblicherweise zehn oder mehr wissenschaftlichen und technischen Mitarbeitern betreuen die öffentlich geförderten und gewerblichen FuE-Aufgaben, ergänzt durch eine anerkannte Messstelle mit ihrer analytischen Kompetenz. Durch die thematische Fokussierung auf die Kernthemen: gas- und partikelförmige Emissionen/Immissionen sowie Pharmazeutika in der Umwelt und am Arbeitsplatz, ergänzt um die energietechnischen Themen Brennstoffzellentechnik/CO 2 -Abtrennung aus Rauchgasen, ist IUTA in der Lage, auch größere Projekte mit der erforderlichen manpower durchzuführen. Die Bereiche sind hierzu so aufgestellt, dass auch kurzfristig ohne hierarchische Barrieren professionelle Teams gebildet werden können. IUTA gewinnt dadurch die Beweglichkeit, beispielsweise städtische Luftmessnetze zu betreuen, bundesweite Pharma-Monitorings oder auch mehrwöchige Intensivmesskampagnen an großtechnischen Versuchsanlagen im Technikum durchzuführen. Die Vorzüge dieser Struktur spiegeln sich auch im wirtschaftlichen Erfolg wider. Im Zuge der Exzellenzdiskussion wird IUTA seine Alleinstellungsmerkmale weiter ausbau- 13

16 2 Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf iuta 2006 en und dabei auch strategische Partnerschaften, wie zum Beispiel mit Arbeitsgruppen der umliegenden Universitäten eingehen. Die Universität Duisburg-Essen nimmt in diesem Kontext durch die Verflechtung mit dem dortigen Maschinenbau eine exponierte Rolle ein. Erste Akquisitionserfolge sind auch bei grenzübergreifenden Projekten im Euregio- Programm zu verzeichnen. So ist IUTA FuE- Partner im Projekt "Hygiene for Health", welches im Zeitraum 2006 bis 2008 vom Land NRW und der EU gefördert wird. Ein Thema, welches IUTA inzwischen intensiv beschäftigt, ist die Frage der Nachhaltigkeit der Nanotechnologie und der Beurteilung der gesundheitlichen Relevanz dieser Partikel am Arbeitsplatz, in der Produktion und allgemein in der Umwelt. Über die messtechnische Erfassung und die Beurteilung der Exposition ergeben sich hieraus auch immer wieder Aufgaben für technische Entwicklungen im Bereich der Nanopartikel-Filtration, der Abscheidung partikulärer Geruchsträger auch im Zusammenwirken mit der Adsorption gasförmiger Bestandteile in dünnen Schichten. IUTA ist insbesondere mit seinem Filterprüfzentrum in Zusammenspiel mit der vorhandenen Online-Partikelmesstechnik und Gasanalytik hierfür hervorragend ausgestattet. Ähnliche Bedeutung haben auch kanzerogene, mutagene und reproduktionstoxische Pharmaka, für die IUTA in den letzten Jahren ebenfalls eine hochleistungsfähige Analytik aufgebaut hat. IUTA hat insbesondere auf den Gebieten, in denen es Alleinstellungsmerkmale aufweist, seine Aktivitäten in Richtung Bildung internationaler Netzwerke verstärkt und ist aktuell Antragsteller in mehreren Großforschungsprojekten im 7. Forschungsrahmenprogramm der EU. Neu ist auf eine Verstärkung der Aktivitäten um Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnik. Diese Arbeitsgruppe ist inzwischen 6 Personen stark und in eine enge strategische Partnerschaft mit der "Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT ggmbh" eingebunden. Vor dem Hintergrund der aufgezeigten Potenziale sind die Perspektiven für das Jahr 2007 und darüber hinaus als optimistisch zu beurteilen. Dies setzt voraus, dass IUTA konsequent am Ausbau seiner Stärken festhält, parallel dazu die Politik verlässliche Randbedingungen schafft, die für ein Institut mit einem Personalstamm von inzwischen über 90 Mitarbeitern, welches trotz einer verstärkten gewerblichen Orientierung sich überwiegend aus dem Einwerben öffentlicher Mittel dies auch im Wettbewerb finanziert, zum erfolgreichen Agieren und Wirtschaften notwendig sind. Umsatz- und Auftragsentwicklung IUTA erreichte im Jahre 2006 mit einem Ergebnis (vor Abschreibungen) in Höhe von ein zufrieden stellendes Geschäftsergebnis. Aus Umsätzen, öffentlichen und privaten Zuwendungen, sonstigen betrieblichen Erträgen sowie Veränderungen an unfertigen Leistungen erzielte IUTA im Jahre 2006 ein Einnah- 14

17 2 Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf iuta 2006 mevolumen von rd. 5,7 Mio. (gegenüber 5,8 Mio. in 2005). Die Aufwendungen im Jahr 2006 betrugen rd. 5,2 Mio.. Sie sind gegenüber dem Vorjahr (rd. 4,4 Mio. ) deutlich gestiegen, vornehmlich im Personalbereich. Bereich des Europäischen Sozialfonds sowie Projekte der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF und ProInno), für die Mittel des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke e. V." (AiF) zur Verfügung stehen. Die Erlöse aus Auftragsforschung, öffentlich geförderter gemeinnütziger Forschung und industrieller Gemeinschaftsforschung, aus Auftragsanalytik und Qualifizierungsmaßnahmen, aus Beratungs- und Veranstaltungstätigkeit lagen mit rd. 4,5 Mio. im Jahr 2006 um 0,4 Mio. über dem Niveau des Vorjahres. Mit 58 T beliefen sich die Zuwendungen des Fördervereins des Instituts für Energie- und Umwelttechnik im Jahr 2006 auf etwas höherem Niveau als im Vorjahr. Sie sind nach wie vor eine Hilfe, um Wettbewerbsnachteile gegenüber institutionell geförderten Konkurrenz- Instituten sowie Standortnachteile auszugleichen, "Eigenanteile" für öffentlich geförderte Projekte verfügbar zu haben und neue Arbeitsfelder zu erschließen. Der Bereich des wirtschaftlichen Geschäftsbetriebes und des Zweckbetriebes (Auftragsforschung, Auftragsanalytik und Beratungstätigkeit) ist 2006 im Vergleich zum Gesamterlös annähernd konstant geblieben. Gleiches gilt dementsprechend für den ideellen (nicht unternehmerischen) Bereich des IUTA e. V. Unter den Zuwendungen und Zuschüssen für Leistungen, die im gemeinnützigen Bereich und im Bereich des Zweckbetriebes erbracht wurden, hatten 2006 wesentlichen Anteil vor allem die Förderung von Projekten aus dem Im Berichtsjahr wurden von IUTA zwei Veranstaltungen über den sicheren Umgang mit hochwirksamen Medikamenten durchgeführt. Weiterhin hat in Zusammenarbeit mit dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit sowie dem VDI und der Schornsteinfegerschule Dülmen die Fachtagung "Emissionsminderung an Kleinfeuerungsanlagen" in Dülmen stattgefunden. Qualifizierungsmaßnahmen mit ca. 30 Teilnehmern zu dem Thema "Zerlegewerkstatt für beeinträchtigte Arbeitnehmer" haben ebenfalls zu den Umsätzen beigetragen. Die Teilnehmer wurden im Rahmen der Programme auch in die innovativen Technologien des Instituts eingearbeitet und konnten praktische Erfahrungen in externen Betrieben sowie im Rahmen laufender Forschungsprojekte sammeln. Darüber hinaus hat IUTA zusammen mit dem Berufskolleg Dinslaken eine modulare Berufsausbildungsform entwickelt, von der IHK zertifizieren lassen und erprobt diese zurzeit mit einer Gruppe von 16 Jugendlichen. IUTA hat sich in den entwickelten Arbeitsschwerpunkten einen guten Ruf und damit Akquisitionspotenzial erworben. An technisch und wirtschaftlich Erfolg versprechenden neuen Entwicklungsideen mangelt es nicht, ebenso nicht an Projektanträgen, die sich in der Bewilligung, in der Begutachtung oder in Vor- 15

18 2 Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf iuta 2006 bereitung befinden. Die bestehende Auftragslage und die für Vorhaben bereits erteilten bzw. in Aussicht gestellten Zuwendungen und Aufträge versprechen für das Jahr 2007 eine gute Auslastung der Institutskapazitäten. Die Laufzeiten der bereits bewilligten Projekte und Zuwendungen reichen derzeit zum Teil bis ins Jahr Die in Vorbereitung befindlichen Projekte versprechen mittelfristig zumindest den Erhalt der bestehenden Arbeitskapazitäten. Die Raumkapazitäten des IUTA-eigenen Gebäudes sind mittlerweile durch die gestiegene Anzahl der Mitarbeiter wie auch die Untervermietung von Labor- und Büroflächen ausgelastet. Anstrengungen, ähnliche Einrichtungen wie IUTA im Gebäudekomplex mit anzusiedeln, haben inzwischen Früchte getragen. So hat sich am IUTA-Standort inzwischen u. a. das Center for Desalination Research and Capacity Building e. V. (Ce-Des) angesiedelt, das ¼ der Hallenkapazität belegt und dort zurzeit ein Technikum mit Fördermitteln des BMBF und des Landes NRW aufbaut. Mitarbeiter Am waren am Institut für Energieund Umwelttechnik einschließlich der wissenschaftlichen Direktoren 110 Mitarbeiter beschäftigt. Des Weiteren erhielten im Berichtsjahr rund 30 weitere Personen im Rahmen von ABM- und Qualifizierungsmaßnahmen eine praxisbezogene Fortbildung. Den Hauptanteil der IUTA-Mitarbeiter stellen mit 50 Personen wissenschaftliche Angestellte mit Universitäts- bzw. technischem Hochschulabschluss sowie Fachhochschulabschluss. An technischem Personal stehen IUTA 44 Mitarbeiter zur Verfügung. Das Institut beschäftigt 2 Auszubildende im Bereich der chemischen Analytik und ist in diesem Bereich von der IHK geprüfter und damit nach Berufsbildungsgesetz anerkannter Ausbildungsbetrieb. Im Rahmen einer Kooperation mit der Universität Duisburg-Essen wurde 1 Auszubildender im Bereich Buchhaltung / Rechnungswesen betreut. Qualitätssicherung im Bereich der Analytik Bedeutsam war auch 2006 die erfolgreiche Teilnahme an wichtigen Ringversuchen, womit die Zulassungen der Messstelle gesichert werden. IUTA darf in allen Medien und für alle Stoffgruppen Messungen bzw. Analysen gemäß 26, 28 BImSchG in NRW durchführen. In der Bekanntgabe als Messstelle nach 26, 28 BImSchG wird die fachliche Kompetenz des Instituts und die Qualität der Analytik anerkannt. Als Forschungsinstitut sichert IUTA die erzielte Qualität und wirkt an der Verbesserung der erreichten Standards zusammen mit Partnern selbst aktiv mit. Eine wichtige Ergänzung für die gutachterlichen Tätigkeiten in der Entsorgungsbranche ist die Zulassung als Prüfstelle im Sinne der TA Luft , , welche IUTA als zurzeit einziges Unternehmen in NRW erlangt hat. Die Zerlegewerkstatt für Massengüter, die nach 4. BImSchV als Abfallbehandlungsanlage genehmigt ist, wurde 2006 zum 3. Mal in Folge ohne Beanstandung gemäß Entsorgungsfachbetriebe-Verordnung zertifiziert. Die Kompetenz hinsichtlich des Umgangs mit Asbest ist durch die Stellung eines geprüften 16

19 2 Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf iuta 2006 und behördlich anerkannten Asbest-Sachkundigen dokumentiert. Die von IUTA seit 10 Jahren regelmäßig durchgeführten Fortbildungsveranstaltungen "Sicherer Umgang mit Zytostatika" werden inzwischen gemäß den Richtlinien für zertifizierte Fortbildungen u. a. von der Apothekerkammer Nordrhein mit entsprechenden Punkten für die Teilnahme anerkannt. Dies gilt auch für die Aufsichtsgremien einiger anderer Regionen Deutschlands. Interne Audits und die Teilnahme an freiwilligen Arbeitskreisen zur Qualitätssicherung runden das Spektrum der Maßnahmen zur Sicherung der Qualität der Analysenleistungen ab. Forschung und Entwicklung In Vorbereitung ist eine Reihe von Anträgen im Rahmen von Innovations- und Projektwettbewerben, die im Falle des Erfolges die Arbeitsmöglichkeiten des Instituts deutlich weiter entwickeln würden. Des Weiteren erfolgt der Aufbau eines Forschungs- und Qualifizierungszentrums für Meerwasserentsalzung am IUTA- Standort, der von der IUTA-Geschäftsleitung tatkräftig unterstützt wird. Für eine Modernisierung der Nano-CMR-Lab-Kapazitäten werden derzeit Fördermittel des Landes NRW und der EU in Höhe von eingesetzt. Das Betätigungsfeld des IUTA e. V. ist anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung sowie Transfer von Wissen in Form von Publikation, Beratung, Schulung und Vortragstätigkeit. Während die Forschungs- und Entwicklungstätigkeit mittelfristig stattfindet, ist die eigentliche Transfertätigkeit längerfristig angelegt und reicht in der Regel über die Laufzeit eines geförderten FuE-Projektes hinaus. Sie zielt letztlich auf die Umsetzung von FuE- Ergebnissen in konkrete Produkte und Verfahren. 2.3 Förderverein des Instituts für Energie- und Umwelttechnik e. V. (FVEU) 1989 hatten sich die Mitinitiatoren der Gründung von IUTA aus dem Kreis der insbesondere in NRW ansässigen privaten und öffentlichen Wirtschaft parallel zur Gründung von IUTA e. V. im Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik (VEU) zusammengefunden, um den Aufbau und die Arbeit des Instituts tatkräftig zu unterstützen. Der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik hat seither durch seine umfangreiche finanzielle Unterstützung von IUTA im Bereich der praxisnahen deutschen Umweltforschung einen besonders beispielhaften Beitrag durch finanzielle Zuwendungen und auch personelle Beratungsunterstützung beim Aufbau des Instituts geleistet. Im Laufe der zurückliegenden Jahre hat sich die Mitgliederstruktur entsprechend den Aufgaben und Arbeitsgebieten und gemäß den strukturellen Änderungen in der nordrhein-westfälischen Wirtschaft gewandelt. Die IUTA fördernden Mitglieder arbeiten heute überwiegend sehr eng mit IUTA zusammen und haben ihren Firmensitz nicht mehr ausschließlich in NRW. Der VEU hat seit 1990 als 2. Vereinszweck die Förderung und Organisation der industriellen Gemeinschaftsforschung auf dem Gebiet der Energie- und Umwelttechnik verfolgt. Seit 1991 ist der Verein Mitglied der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke e. V." (AiF) und vertritt dort den genannten Bereich. Er nimmt damit an der vom Bundesministerium für Wirtschaft und 17

20 2 Organisation, Arbeitsweise und Geschäftsverlauf iuta 2006 Arbeit geförderten industriellen Gemeinschaftsforschung teil, hat aber in diesem Zusammenhang nie ausschließlich IUTA gefördert. Inzwischen partizipieren etwa 40 Forschungsstellen aus nahezu allen Bundesländern an der vom VEU organisierten "Industriellen Gemeinschaftsforschung" (IGF) und dieser organisatorischen Vorbereitung von Forschungsprojekten, wobei ein finanzielles Volumen von über 3 Mio. umgesetzt wird. Der Bereich der industriellen Gemeinschaftsforschung hat damit ein Gewicht erhalten, der es nahe legte, die beiden Vereinszwecke, auch was die Rechtsperson betrifft, zu trennen. Aus diesem Grunde wurde im Jahre 2002 eine Trennung in zwei Vereine vollzogen und dem neu gegründeten FVEU durch Satzungsänderung die Förderung von IUTA übertragen, während der ursprüngliche Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e. V. (VEU) seitdem ausschließlich die Organisation der industriellen Gemeinschaftsforschung wahrnimmt. Die Förderung des Instituts für Energie- und Umwelttechnik e. V. (IUTA) ist nun zentrale Aufgabe und einziger Vereinszweck des FVEU, dessen Mitglieder entsprechend einer Regelung in der Satzung des IUTA e. V. auch zugleich Mitglieder des IUTA e. V. sind, ohne weitere Zahlungsverpflichtungen. Die Mitgliederversammlung des FVEU hat am als neuen Vorsitzenden Herrn Dr. Walter Steudle und als neuen Geschäftsführer Herrn Dr.-Ing. Stefan Haep gewählt. 18

21 3 Kompetenzen der Bereiche iuta Kompetenzen der Bereiche - expertise of departments Gasreinigungsverfahren/ Molekulare Kontamination Dr.-Ing. S. Haep Luftgetragene Partikel / Luftreinhaltung Dr. rer. nat. T. Kuhlbusch Energietechnik/ Brennstoffzellentechnik Dr. S. Peil / Dipl.-Ing. M. Vogt Produktionsintegrierter Umweltschutz Dr.-Ing. E. Erich Sorptive und mechanische Gasreinigungstechnologien Molekulare u. partikuläre Kontaminationen Ausbreitungsrechnungen Arbeitsplatzbezogene Luftreinhaltetechnologien Numerische Mehrphasen- Strömungssimulation Olfaktometrie Luftqualität, Exposition und Gesundheit Nachhaltige Nanotechnologie und Nanopartikelkontamination Chemische und physikalische Charakterisierung Quellenidentifizierung und atmosphärische Prozesse Nanopartikel und Exposition an Arbeitsplätzen Partikelmesstechnik PEM-Brennstoffzellentechnologie Brenngaserzeugung für Brennstoffzellen Wasserstoffspeicher für Brennstoffzellen Biomassenutzung zur Energieerzeugung Abscheidung von CO 2 aus Rauchgasen Rationelle Energienutzung Katalytische Gasaufbereitung Absorptive Gasreinigung Energetische Verwertung Biomasse Managementsysteme in Industrie und Einrichtungen des Gesundheitswesens Fort- und Weiterbildungen Umweltund Arbeitsschutz FuE-Dienstleistungen, Beratungen, Gutachten Filtration/ Umweltverfahrenstechnik PD Dr.-Ing. F. Schmidt Umweltmedizin/ Analytik Dr. rer. nat. T. Kiffmeyer Kreislaufwirtschaft und Recycling Dipl.-Ing. J. Schiemann Messstelle Dipl.-Ing. M. Beyer Filterprüfung, bspw. DIN Prüfinstitut für Anlagen zur Luftreinhaltung und Filtration Geruchsfilter-Prüfstand Adsorption von Schadgasen bei variabler Feuchte und Temperatur Aerosole: elektrost. Aufladung und Neutralisierung Modellierung: Aerosoldeposition, Dünnschichtadsorption Arbeitsschutzrelevante Pharmazeutika (Zytostatika) Xenobiotika in der Umwelt Raumlufthygiene FuE Flüssigchromatografie und Kopplungstechniken Forschungsanalytik und Methodenentwicklung Fort- und Weiterbildungen Hochwirksame Arzneimittel Recycling von Massengütern Begutachtung und Bilanzierung von Kühlgeräteentsorgungsanlagen Aufbereitung technischer Kunststoffe Ausbildung im Bereich Umweltund Kreislaufwirtschaft Untersuchungen von Shredderleichtfraktionen Wasserentsalzung Emissionsmessungen BImSchG Immissionsmessungen BImSchG Feinstaub PM10, org., anorg. Gase, EC/OC, NCBA Arbeitsplatzmessungen nach TRGS Messung der Partikelgrößenverteilung in industriellen Abgasen Druckluftfilteruntersuchungen REM-Untersuchungen BET Oberflächenuntersuchung Gas cleaning technologies / molecular contaminations Dr.-Ing. S. Haep Sorption and mechanical technologies Molecular and particulate contaminations Dispersion Modelling Workplace related air purification technologies Computational fluid dynamics and CFD modelling Olfactometry Airborne Particles / Air Quality Dr. rer. nat. T. Kuhlbusch (Sci. Adv.: Prof. Dr.-Ing. H. Fissan) Air quality, exposure and health Sustainable nanotechnology and nanoparticle contamination Chemical and physical characterization Source apportionment and atmospheric processes Nanoparticles and exposition at workplaces Particle measurement technology Energy Technology / Fuel Cell Technology Dr. S. Peil / Dipl.-Ing. M. Vogt PEM-fuel cell technology Fuel gas generation for fuel cells Hydrogen storage for fuel cells Biomass utilization for energy generation Capture of CO 2 from flue gas Energy efficiency Production integrated environmental protection Dr.-Ing. E. Erich Catalytic gas treatment Gas cleaning by absorption Biomass and energy recovery Management systems in industry and medical service Further education of employment protection environmental and industrial safety range Research and development services, proceedings, surveys Filtration/ Environmental Engineering PD Dr.-Ing. F. Schmidt Environmental Medicine / Analytical Chemistry Dr. rer. nat. T. Kiffmeyer Recycling and Close loop economy Dipl.-Ing. J. Schiemann Measurement and Testing Dipl.-Ing. M. Beyer Air filter testing, e.g. DIN Hazardous pharmaceuticals Recycling of bulk material Measurement of emission Laboratory for testing of air conditioning and filtration facilities Test facility for odour-filters Adsorptive gas separation at adjustable temperature and relative humidity Aerosols: electrostatic charging and neutralisation Modelling: aerosol deposition, thin film adsorption processes Xenobiotics in the environment Indoor air quality Liquid chromatography and coupling technologies Specialised analytical methods for R&D applications Advanced training highly efficient pharmaceuticals Survey and evaluation of cooling units Processing and treatment of technical plastics Education and training environment and recycling management Analysis of shredder light fractions Water desalination Measurement of immission Measurements at working places Measurement of number concentrations in industrial waste gases Filter tests for cleaning of compressed air Determination with slow scanning electronic microscope BET surface analysis 19

22 3 Kompetenzen der Bereiche iuta 2006 Bereich: Department: Ansprechpartner / contact person: Gasreinigungsverfahren / Molekulare Kontamination Gas cleaning technologies / molecular contaminations Dr.-Ing. Stefan Haep (-204) Sorptive und mechanische Gasreinigungstechnologien Absorptive Gasreinigung (Bsp. HCl- Wäsche, SO 2 -Wäsche), Aerosolbildung und Abscheidung in der nassen Rauchgaswäsche, Effizienz von Tropfenabscheidern, Quecksilberabscheidung aus Rauchgasen, Adsorption von gasförmigen Schadstoffen an Aktivkohle, Engineering und Begutachtung der Gasreinigung von MVA s Sorption and mechanical technologies Absorptive gas cleaning, heat and mass transfer in scrubbers, effective droplet separation, aerosol formation and separation in chemical (process) engineering, mercury removal from waste gas, adsorption (kinetics) of organic and inorganic substances on activated carbon, engineering and evaluation of gas cleaning devices with focus incineration plants Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Margot Bittig (-257) Dipl.-Ing. Jörg Lindermann (-105) Molekulare und partikuläre Kontamination Messungen partikulärer Kontaminationen, Geräteentwicklung (z. B. Staubsensor), Verfahrensentwicklung (physikalische Einbindung von Zytostatika mittels Gelen, Anlagenreinigungstechnologie für pulverförmige Produkte, Reduzierung der Asbestkonzentration) Ausbreitungsrechnungen Immissionsprognosen nach TA Luft; Emissions-Immissionsbeziehung, Deposition, Quellstärkenbestimmung: industrielle Anlagen, Verkehrsemissionen; Inverse Ausbreitungsrechnung, diffuse Emissionen, Einsatz numerischer Modelle: AUSTAL2000, MISKAM, FDM, cfd; Gutachtenerstellung Arbeitsplatzbezogene Luftreinhaltetechnologien Minderungsmaßnahmen (Katalytisch aktive Filter), Geräteentwicklungen (Staubund Partikelmessgeräte), Prüfmethoden (Rückhaltevermögen von Sicherheitswerkbänken), Forschung (Sublimation von Gefahrstoffen) Numerische Mehrphasen- Strömungssimulation Simulation (in-)stationärer Strömungsvorgänge; Modellierung der Partikeldynamik nach Lagrange und Euler (Diffusion, Impaktion, Thermo- und Elektrophorese, Koagulation, Nukleation, Kondensation); Mehrphasensimulation von Wärme- und Stofftransport bzw. chemischen Reaktionen; Entwicklung von Subroutinen zur spezifischen Anpassung der CFD-Software Olfaktometrie Geruchsmessung nach VDA 270 und DIN EN 13725; Geruchsanalytik (GC-MS- Sniffing, Chemometrie); Methodenentwicklung sensorische Geruchserkennung; olfaktometrische Bewertung von Filtersystemen; Methodenentwicklung für die olfaktometrische Materialbewertung; Rechnung zur Geruchsausbreitung mit AUSTAL2000G; Forschungsarbeiten und Gutachten Molecular and particulate contaminations Measurement of particulate contaminations, development of equipment (sensor for charging control of particles), process development (binding of cytotoxic drugs using gelatine, cleaning technology for powdery products, reduction of asbestos contaminations) Dispersion modelling Source emissions rate estimation in legal air quality and emission control, e. g. according to TA Luft, Dispersion modelling, deposition, Industrial plants, street areas, Fugitive dust emissions Modelling software: AUSTAL2000, MISKAM, FDM, cfd Applied Research and Expertise Workplacerelated air purification technologies Reduction procedures (Catalytic active filters), Device developments (Dust- and particle analysers), Test methods (Protection factor of safety cabinets), Research (Sublimation of hazardous substances) Computational fluid dynamics (CFD)- modelling Modelling of steady and unsteady flows; Simulation of particle dynamics (Lagrange an Euler) including diffusion, impaction, thermo- and electrophoresis, coagulation, nucleation und condensation; Multiphase simulation of heat transfer, mass transfer and chemical reactions; Individual adjustment of the CFD-software by customised subroutines Olfactometry Olfactometric measurement (VDA 270 und DIN EN 13725); odour analytic (GC-MS- Sniffing, Chemometriy); R&D: sensory odour detection, Validation of odour reduction methods, olfactometric validation of filtersystems, methods for the olfactometric validation of materials; Dispersion modelling for odour with AUSTAL2000G; Applied research and expertises Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Heinz Kaminski (-105) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Achim Hugo (-257) Dipl.-Ing. Thomas Engelke (-131) Ansprechpartner: Contact person: Dr.-Ing. Siegfried Opiolka (-255) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Till van der Zwaag (-131) Dipl.-Ing. Thomas Engelke (-131) Ansprechpartner: Contact person: Dipl. Chem. H. Finger (-220) 20

23 3 Kompetenzen der Bereiche iuta 2005 Bereich: Department: Ansprechpartner / Contact person: Luftgetragene Partikel / Luftreinhaltung Airborne Particles / Air Quality Dr. rer. nat. T. Kuhlbusch (-267) Prof. Dr.-Ing. H. Fissan (über -267) Luftqualität, Exposition und Gesundheit Messung von z. B. Partikeleigenschaften, wie Massen- und Anzahlkonzentrationen, Größenverteilungen in Emissionen und Immissionen; diffuse Emissionen; Bewertung der Exposition und Zusammenarbeit mit Toxikologen Nachhaltige Nanotechnologie und Nanopartikelkontamination Bestimmung der Emissionen und Immissionen; Wirkung von Nanopartikeln auf Mensch und Umwelt; Messung und Modellierung von Nanopartikelkontamination auf kritischen Oberflächen (z. B. in der Halbleiterindustrie) bei Normal- und Unterdruck Chemische und physikalische Charakterisierung Chemisch: Anorganische und organische Inhaltsstoffe, Einzel- und Bulkanalysen; physikalisch: Anzahlgrößenverteilung (SMPS; FMPS, APS); Partikelmassenkonzentration, diskontinuierlich (Filtersammler) und kontinuierlich (TEOM); Anzahlkonzentration (CPC); Rußkonzentration (Aethalometer) Quellenidentifizierung und atmosphärische Prozesse Luv-/Lee-Messungen, Rückwärtstrajektorien, Multivariate Statistik, Positiv Matrix Faktorisierung Partikeltransport, Umwandlung von Nitraten und Sulfaten, atmosphärenchemische Prozesse Air quality, exposure and health Measurement of e.g. particle properties, including mass and number concentrations, size distributions in ambient air and emission; diffusive emission; exposure assessment and collaboration with toxicologists Sustainable nanotechnology and nanoparticle contamination Measurement of emission and immission; effect of nanoparticles on human beings and environment; Measurement and modeling of nanoparticle contamination on critical surfaces (e.g. in semiconductor industry) at ambient and low pressure Chemical and physical characterisation Chemical: organic and inorganic analysis; Physical: number size distribution (SMPS; FMPS; APS); mass concentrations, discontinuous (filter sampler) and continuous (TEOM); number concentration (CPC); soot concentration (aethalometer) Source apportionment and atmospheric processes Upwind/downwind measurement, backward trajectories, multivariate statistics, positive matrix factorisation Particle transport, conversion of nitrate and sulphate, atmospheric chemistry Ansprechpartner: Contact person: Dr. Thomas Kuhlbusch (-267) Dr. rer. nat. Astrid John (-209) Dipl.-Ing. Achim Hugo (-257) Ansprechpartner: Contact person: Dr.-Ing. Christof Asbach (-209) Dr. Thomas Kuhlbusch (-267) Ansprechpartner: Contact person: Dr. rer. nat. Astrid John (-209) Dipl.-Ing. Heinz Kaminski (-105) Dipl.-Ing. Matthias Beyer (-272) Ansprechpartner: Contact person: Dr. Thomas Kuhlbusch (-267) Dr. rer. nat. Astrid John (-209) Nanopartikel und Exposition an Arbeitsplätzen Bestimmung luftgetragener Nanopartikelkonzentrationen, personenbezogene Messungen, Agglomeratstabilitäten, Partikeloberflächenkonzentrationen, Expositionsbeurteilungen Partikelmesstechnik Entwicklung von Impaktoren für Emission und Immission; personengebundenen Messgeräten; Expositionsmessgeräten, Submikron-Partikeldepositionssensor Nanoparticles and exposition at workplaces Measurement of airborne nanoparticle concentrations, personal measurement Stability of agglomerates, particle surface area concentrations, exposure assessment. Particle measurement technology Development of impactor for emission and immission control, personal samplers, exposure meters, submicron particle deposition sensor Ansprechpartner: Contact person: Dr. Thomas Kuhlbusch (-267) Dipl.-Ing. Heinz Kaminski (-105) Ansprechpartner: Contact person: Dr.-Ing. Christof Asbach (-209) Dr. rer. nat. Astrid John (-209) 21

24 3 Kompetenzen der Bereiche iuta 2006 Bereich: Filtration und Umweltverfahrenstechnik Departement: Filtration and Environmental Engineering Ansprechpartner / Contact person: PD Dr.-Ing. F. Schmidt ( ) Filterprüfung Partikelfiltration, z. B. Kfz-Innenraumfilter, DIN 71460, Teil 1, Fraktionsabscheidegradbestimmung, Standzeitprüfung, Differenzdruckbestimmung, Pollenabscheidung, Gasfiltration, Prüfung von adsorptiven Filtermedien, z. B. Kfz-Innenraumfilter DIN 71460, Teil 2, Prüfung von konfektionierten Filtern, Schüttungen, flat sheets, Prüfung bei Temperaturen bis 100 C und relativen Luftfeuchten bis ca. 100 % Prüfinstitut für Anlagen zur Luftreinigung und Filtration Untersuchung der Partikelabscheidung durch z. B. Zyklone, Koaleszer, Raumluftreiniger, Staubsauger, DieselRußabscheidung, Entwicklung von Prüfmethoden zur Beurteilung von techn. Systemen/ Anlagen Filter testing Particle filtration, e. g. cabin air filters DIN 71460, part 1, determination of fractional collection efficiency, service life testing, measurement of pressure difference, gas filtration, e. g. cabin air filters DIN 71460, part 2, testing of filters, packed beds, flat sheets, testing at temperatures up to 100 C and relative humidities up to 100 % Laboratory for testing of air conditioning/ filtration facilities Examination of particle separation in e. g. cyclones, coalescers, air cleaners or vacuum cleaners, development of testing methods for evaluation of equipment Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Georg Lauber (-255) Dipl.-Ing. Uta Sager ( ) Dipl.-Ing. Eckhard Däuber Ansprechpartner: Contact person: Dipl. Chem. Ing. G. Rapp (-131) Dipl.-Ing. Achim Breidenbach ( ) Geruchsfilter-Prüfstand Dieselabgastest (Geruchsminderung durch Filtersysteme); Entwicklung eines Standardverfahrens zur Geruchsabscheidung an Dünnschichtfiltern; Simultanmessung zur Geruchs- und Partikelabscheidung von Dieselabgasaerosolen Adsorptive Gasreinigung Untersuchungen zum Adsorptionsgleichgewicht und zur Adsorptionskinetik mit der Strömungsmethode, Aufnahme von Durchbruchskurven, zyklische Ad- und Desorptionsprozesse, Mehrkomponentenadsorption, Adsorptive: organische Komponenten, z. B. Toluol, n-butan, Methylethylketon, anorganische Komponenten; z. B. Stickoxide, Schwefeldioxid, Ozon; Adsorptionsbedingungen: Konzentration bis herunter zum Immissionsbereich, Normaldruck Aerosole Generierung und Charakterisierung von Aerosolen, elektrostatische Aufladung und Neutralisation von Partikeln, bipolare Auflader, Vermessung von Ladungsverteilungen und Einzelpartikelladungen, Konzeptionierung von Ionenaufladern/ Koronaentladung Test facility for odour-filters Diesel exhaust test (odour reduction by filter systems); development of a standard method for odour reduction by thin layer filters; simultaneous measurement of the odour- and particle separation from diesel exhaust aerosols Adsorptive gas separation Adsorption equilibrium and kinetics by fixed bed method, determination of breakthrough curves, cyclic ad- and desorption processes, multicomponent adsorption, adsorptives: organic compounds; toluene, n-butane, methylethylketone, inorganic compounds: sulphur dioxide, nitric oxide, ozone adsorption conditions: concentrations down to immission control, ambient pressure Aerosols Generation and characterisation of aerosols, electrostatic charging/ neutralisation of particles, bipolar chargers, measurement of charge distributions and of single particle charge, development of ion charger/ corona discharge Ansprechpartner: Contact person: Dipl. Chem. H. Finger (-220) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Georg Lauber (-255) Dipl.-Ing. Uta Sager ( ) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Achim Breidenbach ( ) Dipl.-Lab.-Chem. Gerhard Rapp (-131) Modellierung Partikeldynamik und deposition, dynamische Adsorptionprozesse in Festbetten Modelling Particle dynamics and deposition, dynamic adsorption processes in fixed beds Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Achim Breidenbach ( ) 22

25 3 Kompetenzen der Bereiche iuta 2005 Bereich: PIUS - Produktionsintegrierter Umweltschutz Department: Cleaner Production Ansprechpartner / Contact person: Dr.-Ing. Egon Erich (-268) Katalytische Gasaufbereitung Oxidative Gasaufbereitung Hydrocrackkatalysatoren Redox-Katalysesystem zur Oxidation- und Reduktion von Kohlenwasserstoffen und NOx aus Kaffeerösterabgas Reformierung von Methan Absorptive Gasreinigung Druckgaswäsche zur Absorption saurer Gasbestandteile Empirische Optimierung von Druckgaswäschen Untersuchung zur Degradation von Aminen Einsatz von Aminwäschen zur CO 2 Abscheidung aus Rauchgasen Energetische Verwertung Biomasse Ofenkatalysator für Kleinfeuerungsanlagen Zweistufiger Biomassevergaser Gegenstromvergaser Managementsysteme in Industrie und Einrichtungen des Gesundheitswesens Qualitätsmanagement Gefährdungsanalyse Umsetzung von Arbeitsschutzund Umweltschutzbestimmungen Catalytic gas treatment Oxidative gas treatment Catalysts for hydrocracking Redox catalysts for oxidation and reduction of hydrocarbons and NOx from coffee roasters, Steam reforming of methane and natural gas Gas cleaning by absorption Pressurized gas scrubber for the absorption of acid gas compounds Empirical optimization of pressurized gas scrubber, Investigation for the degradation of amines, CO 2 separation from flue gases with an amine scrubber Biomass and energy recovery Catalytic converter for domestic fire places Two-stage biomass gasifier Updraft gasifier Management systems in industry and medical service Quality management Hazard analysis Implementation of regulations for the protection of labour and environment Ansprechpartner: Contact person: Dr. Egon Erich (-268) Dipl.-Ing. Andrew Berry (-154) Ansprechpartner: Contact person: Dr. Egon Erich (-268) Dipl.-Ing. Ralf Goldschmidt (-155) Ansprechpartner: Contact person: Dr. Egon Erich (-268) Dipl.-Ing. Frank Grüning (-197) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Udo Kraft (-180) Dipl.-Ing. Ralf Goldschmidt (-155) Fort- und Weiterbildungen Umwelt- und Arbeitsschutzbereich Schulungen zum Betriebsbeauftragten für Abfall, Gefahrstoffmanagement, Gefahrgutverordnung Straße und Eisenbahn (GGVSE), RID, ADR Further education of employment protection environmental and industrial safety range Training courses for company representative for waste, management of hazardous waste, legislation of hazardous goods and transport (RID, ADR). Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Udo Kraft (-180) Dipl.-Ing. Ralf Goldschmidt (-155) FuE-Dienstleistungen, Beratungen, Gutachten Auftragsforschung zu Eintrag von Schwermetallen in die Umwelt, Reduktion von Chrom-(VI) in Reststoffen, Entfernung von Siloxanen in Deponiegasen. Gutachten und Analysen zu: Abfall- und Umweltmanagement, Biomasseverwertung, Altlastensanierung. Research and development services, proceedings, surveys Mission oriented research on entry of heavy metals into the environment, reduction of chrome (VI) in residues, elimination of siloxanes from landfill gas. Surveys on waste- and environmental management, energy recovery from biomass, cleanup operations. Ansprechpartner: Contact person: Dr. Egon Erich (-268) Dr. C. Kube (-213) 23

26 3 Kompetenzen der Bereiche iuta 2006 Bereich: Energietechnik / Brennstoffzellentechnik Department: Energy Technology / Fuel Cell Technology Ansprechpartner / Contact person: Dr. rer. nat. S. Peil (-223) Dipl.-Ing. M. Vogt (-175) PEM-Brennstoffzellentechnologie Brennstoffzellen-Produktwasser: Nutzungsmöglichkeiten, Analytik PEM-Wasserhaushalt PEM-Befeuchtung Entwicklung eines PEM-Brennstoffzellen Regelsystems Katalysatorentwicklung Brennstoffzellenkühlung Brenngaserzeugung für Brennstoffzellen Erzeugung von Brenngas aus organischen Materialien mit überkitischem Wasser (SCWO-Verfahren) PEM-fuel cell technology product water of the fuel cell: usability, analysis of product water PEM water balance PEM humidification development of a fuel cell regulating system development of catalysers fuel cell cooling systems Fuel gas generation for fuel cells generation of fuel gas from organic materials with supercritical water (SuperCritical Water Oxidation SCWO) Ansprechpartner: Contact person: Dr. rer. nat. Stefan Peil (-223) Dipl.-Ing. Jens Wartmann (-222) Ansprechpartner: Contact person: Dr. rer. nat. Stefan Peil (-223) Dipl.-Ing. Jens Wartmann (-222) Wasserstoffspeicher für Brennstoffzellen Integration von Wasserstoff-Metallhydridspeichern in Brennstoffzellensysteme Wärmemanagement Hydrogen storage for fuel cells Integration of metal hydrid hydrogen storage in fuel cell systems heat management Ansprechpartner: Contact person: Dr. rer. nat. Stefan Peil (-223) Dipl.-Ing. Jens Wartmann (-222) Biomassenutzung zur Energieerzeugung Brenn- bzw. Produktgasaufbereitung, Porenbrenner, Brennstoffcharakterisierung Abscheidung von CO 2 aus Rauchgasen Konzeption von CO 2 -Wäschern zur Integration in Kraftwerksprozesse Biomass utilization for energy generation conditioning of fuel gas porous burner characterisation of fuels Capture of CO 2 from flue gas system design of gas scrubber based CO 2 removal integrated in power plants Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Monika Vogt (-175) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Monika Vogt (-175) Rationelle Energienutzung Energiekonzepte und Betriebsuntersuchungen Energiewirtschaftliche Bewertung von Optimierungsmaßnahmen Entwicklung von Bewertungsverfahren zur Beurteilung der Energie- und CO 2 - Emissionsintensität Wärmetechnische Verbesserung von Altbauten in Duisburg (Klimatisch Duisburg) Energy efficiency assessment of energy efficiency of plants development of concepts for rational usage of energy economic evaluation of energy saving measures development of valuation methods to assess specific energy- and CO 2 - emissions thermotechnical improvement of old buildings in Duisburg (Klimatisch Duisburg) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Monika Vogt (-175) KimaTisch-Duisburg e.v. Leitung der Geschäftsstelle des Vereins in Kooperation mit dem IUTA e.v. Internet: Aufgaben: Förderberatung zur energetischen Altbausanierung Energieberatung für Duisburger Privathaushalte Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. Architekt Maas-van Schingen 0203/

27 3 Kompetenzen der Bereiche iuta 2005 Bereich: Department: Ansprechpartner / Contact person: Umweltmedizin / Analytik Environmental Medicine / Analytical Chemistry Dr. rer. nat. Thekla Kiffmeyer (-159) Arbeitsschutzrelevante Pharmaka Hazardous pharmaceuticals Ansprechpartner: Contact person: Umgebungsmonitoring (Oberflächen, Luft, Textilien, Verpackungen), Biomonitoring (Urin), Entwicklung von Schnelltests; Sublimationsverhalten; Reinigung und Dekontamination; Test und Verbesserung von Schutzausrüstungen und systemen; Beratung, Schulungen und Fortbildungen Ambient Monitoring (surfaces, air, textiles, furniture, packing), bio monitoring (e.g. urine); development of quick tests, evaporation behaviour; cleaning and decontamination procedures; testing and improvement of protective equipment and devices; counselling, training and education Dipl.-Chem. Jochen Türk (-179) Dr. Thekla Kiffmeyer (-159) Arzneimittel in der Umwelt Eintrag, Vorkommen und Verhalten in Luft, Wasser, Boden, Schlamm etc.; Metaboliten; Schnelltests; Resistenzproblematik; Bilanzierung; Minderungs- und Behandlungsverfahren für Luft, Abwasser, Gülle etc. Pharmaceuticals in the environment Sources, occurrence and fate in air, water, soil, sludge etc.; metabolites; antimicrobial resistance; reduction of input; treatment of air, waste water, manure etc. Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Chem. Jochen Türk (-179) Raumlufthygiene Messung und Beurteilung von Belastungen in Innenräumen; Quellenermittlung: Schimmelpilzgifte (Mykotoxine), flüchtige organische Verbindungen (VOC), Isocyanate, Holzschutzmittel, Biozide, Asbest, Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Mineralfasern u.a. Indoor air quality Determination and assessment of indoor pollutants: Mycotoxins, volatile organic compounds (VOC), isocyanates, wood preservatives, biocides, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), asbestos, mineral fibres et al. Ansprechpartner: Contact person: Dr. Volker Plegge (-231) M.Sc. Christoph Portner (-216) Innovative Chromatografische Verfahren Entwicklung von Methoden und technischen Lösungen für Hochtemperaturchromatographie, moderne Kopplungs- und Detektionsverfahren, mehrdimensionale Trennungen; computergestützte Methodenentwicklung und Datenauswertung; Entwicklung und Tests von Säulenmaterialien Innovative chromatographic techniques Development of methods and technical solutions for high temperature chromatography, modern detection and coupling techniques, multi dimensional separations; computer based method development and data processing; development and testing of stationary phase material Ansprechpartner: Contact person: Dr. Thorsten Teutenberg (-179) Forschungsanalytik und Methodenentwicklung Wissenschaftlich fundierte Entwicklung und Validierung leistungsfähiger Spezialverfahren für Forschungsvorhaben, Kooperationspartner und externe Auftraggeber; breite Palette an Analysenverfahren und bestimmbaren Parametern Specialized analytical methods for R&D applications Scientific based development and validation of specialised analytical methods for research partners and customers; broad range of analytical instruments and methods Ansprechpartner: Contact person: Dr. Volker Plegge (-213) Dipl.-Chem. Jochen Türk (-179) 25

28 3 Kompetenzen der Bereiche iuta 2006 Bereich: Department: Ansprechpartner / Contact person: Kreislaufwirtschaft und Recycling recycling and close loop economy Dipl.-Ing. Jochen Schiemann (-259) Recycling von Massengütern Verwertung und Entsorgung von Elektronikschrott nach 4. BImSchV bzw. gemäß Entsorgungsfachbetriebsverordnung, Untersuchungen der Verwertungsmöglichkeiten elektronischer und elektrischer Geräte, Pilotversuche zur Verwertung von Brennstoffzellen Sortierung von EDV- Verbrauchsmaterialien Begutachtungen und Bilanzierungen von Kühlgerätentsorgungsanlagen Begutachtung und Bilanzierung von Anlagen zur Verwertung von Haushaltskühlgeräten nach RAL GZ 728; Tests: UBA Leitfaden Tests, Überprüfung nach TA Luft / ; Desorptionsversuche von FCKW; Analyse FCKW-haltiger Schäume und Öle Aufbereitung von technischen Kunststoffen Entwicklung und Bau automatisierter Identifikationsanlagen für technische Thermoplaste; FuE: Identifikation von Brandschutzadditiven in technischen Thermoplasten; Aufbereitung von Kunststoff-Probefraktionen und anschließender Testverarbeitung im Extruder; Entwicklung von Bestimmungsreihen und Schnelltests zur betrieblichen Materialeinordnung; Identifikation von technischen Thermoplasten; Zerstörungsfreie halbquantitative Bestimmung von Inhaltsstoffen auf Elementbasis in Kunststoffen (nicht C, H, O, N); Zerstörungsfreier quantitativer Elementnachweis von Kunststoffadditiven gemäß Kalibrierreihen, Herstellung von definierten Kunststoffmusterplatten durch Extrusion Ausbildung im Bereich Umwelt- und Kreislaufwirtschaft Fort- und Weiterbildungsmaßnahmen sowie ABM; für Jugendliche, für Behinderte und für Berufsrückkehrer; Vorbereitungskurse zur IHK Prüfung Recyclingfachkraft; Schulungen für den Erwerb von Fahrberechtigungen für Flurförderfahrzeuge Untersuchungen an Shredderleichtfraktionen Phänomenologische Untersuchungen, Entwicklung von trockenmechanischen Aufarbeitungsmethoden; Entwicklung von Vorsorgedemontagestrategien zur Minimierung von Schadstoffen Entsalzung von Wasser mobiles Wasseranalytik-Labor, mobile Kleinstkläranlage Recycling of bulk material Further utilization and waste treatment of electronic scrap, development of technoligies for treatment and handling of electrical and electronical stuff, measurement and modeling ecological treatments for fuell-cells, sorting of toner cartridges. Surveys and equilibrations of facilities for CFC-recycling Surveys and equilibrations of the recycling process of refrigerators. Measurements of CFC-desorption Analysis of foams and oils. Conditioning of technical plastics development and construction of automatic systems for identifying technical plastics. Analysis of fire-guards in plastics, conditioning of test charges with extruder, Analysis and indentification of technical plastics, Analysis of elements (like bromine, chlorine, cadmium, ) in technical plastics Capacity building qualification courses for young people, unemployed people, handicapped people in environmental protection and recycling operations, driving training for fork lifters Examinations of shredder-fractions Exploration of shredder-material and development of dry procedures for the recycling, minimizing hazardous components by adapted handling Desalination Facilities for desalination technique mobile analysis mobile treatments Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. J. Schiemann (-259) Hans Jürgen Prause (-156) Ansprechpartner: Contact person: Hans Jürgen Prause (-156) Dipl.-Ing. A. Kerßenboom (-156) Ansprechpartner: Contact person: Bettina Schiemann (-158) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. A. Kerßenboom (-156) Hans Jürgen Prause (-156) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. J. Schiemann (-259) Bettina Schiemann (-158) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. J. Schiemann (-259) 26

29 3 Kompetenzen der Bereiche iuta 2005 Bereich: Department: Ansprechpartner / Contact person: Messstelle Measurement and testing Dipl.-Ing. M. Beyer (-272) Emissionsmessungen Bekannt gegebene Messstelle nach 26, 28 BImSchG für die Bereiche Staub, Feinstaub (PM 10, PM 4, PM 2,5 ), Staubinhaltsstoffe, anorganische Gase, organische Gase und hochtoxische organische Stoffe (PCDD/F) Immissionmessungen Messung und Beurteilung von Immissionsbelastungen in der Außenluft, Messung von PM 10, PM 2,5, PM 1 sowie organischen und anorganischen Gasen (BTXE, NO x, Ozon), Sonderanalytik für spezielle verkehrsrelevante Tracer z. B. Schwermetalle, Silizium, EC/OC, NCBA. Arbeitsplatzmessungen Messungen zur Beurteilung der Schadstoffbelastung am Arbeitsplatz nach TRGS 402 u Stationäre u. personengetragene Messsysteme z. B. für Gesamt- u. Feinstaub Messung der Partikelgrößenverteilung in industriellen Abgasen Kontinuierliche Messungen der Partikelgrößenverteilung und Anzahlkonzentration mit dem optischen Messsystem WELAS Measurement of emission State approved measuring body according to 26, 28 BImSchG for dust, fine dust (PM 10, PM 4, PM 2,5 ) dust components, anorganic gaseous, organic gaseous and high toxic organic components (PCDD/F) Measurement of immission Measurement and assessment of outdoor pollutants, determination of PM 10, PM 2,5, PM 1 and organic and anorganic gaseous (BTXE, NO x, Ozon), analytic of special traffic tracer e.g. heavy metal, soot carbon, organic carbon, NCBA. Measurements at the working place Evaluation and assessment of work places according to guidelines TRGS 402 and TRGS 403 Measurement of number concentrations in industrial waste gases Continuous measurements of particle number concentration and size distribution in industrial waste gases with the optical measurement system WELAS Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Chem. M. Neumann (-194) W. Backhaus (-272) Ansprechpartner: Contact person: O. Sperber (-194) Dipl.-Chem. M. Neumann (-194) Ansprechpartner: Contact person: Hr. Backhaus (-193) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Ing. M. Beyer (-272) Dipl.-Ing. J. Lindermann (-105) Test von Filtern für die Druckluftreinigung Messung nach ISO 8573 und zur Bestimmung der Ölaerosolgehalte, Partikelgehalte, Öldampfgehalte und organischen und anorganischen Gasen Filter tests for cleaning of compressed air Measurements according to ISO 8573 and ISO for determination of oil aerosol content, solid particle content and oil vapour content and organic and anorganic gaseous contents Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Phys.Ing. D. Jarzyna (-272) Dipl.-Ing. G. Lauber (-255) Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen Untersuchung von Materialien mittels REM und Elementanalyse mittels EDX, Schadensanalysen, Asbestuntersuchungen und Untersuchung anorganischer Fasern (KI-Index), Untersuchung der Korngrößenverteilung. Untersuchung der BET-Oberfläche Untersuchung der spezifischen Oberfläche nach BET und Bestimmung der Porenradienverteilung Determination with slow scanning electronic microscope Determination of materials with REM and element analysis with EDX, determination of damages, determination of asbestos and anorganic fibres (KI- Index). Determination of particle properties e.g. number concentration, size distribution. BET surface analysis Measuring of specific BET surface and pore size distribution Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Phys.- Ing. D. Jarzyna (-272) Ansprechpartner: Contact person: Dipl.-Phys.- Ing. D. Jarzyna (-272) 27

30 4 Arbeitsschwerpunkte und technische Ausstattung der Bereiche 4.1 Gasreinigungsverfahren / Molekulare Kontamination Untersuchungen zum Verhalten von Quecksilber zur Optimierung der nassen Abgaswäsche Die Ausführung der Abgasreinigung hinter einer Müllverbrennungsanlage mit einer mehrstufigen Wäsche ist Stand der Technik. Dabei dient die erste Waschstufe der Abscheidung der sauren Schadstoffkomponenten wie HCl und HBr. Sie wird zur Unterdrückung der SO 2 -Abscheidung und zur Verbesserung der Quecksilberabscheidung mit niedrigem ph-wert betrieben. Dieses gilt als Beste verfügbare Technik. Entsprechend dem Reference Document on the Best Available Techniques for waste incineration vom Juli 2005, S. 374, kann durch die Einstellung eines ph-wertes < 1 ein Abscheidegrad für zweiwertiges Quecksilber von > 95 % erreicht werden: Diese Aussage postuliert zum einen einen eindeutigen Zusammenhang zwischen ph-wert und Hg- Abscheidegrad und ermöglicht zum anderen die Waschstufe nach dem Abscheidegrad auszulegen. Von den rund 65 in Deutschland betriebenen Müllverbrennungsanlagen sind 42 mit einer sauren Wäsche als erster und mindestens einer weiteren nachgeschalteten, neutral betriebenen Waschstufe ausgestattet. Im Gegensatz dazu steht das theoretische Wissen, dass es keinen Zusammenhang zwischen dem ph-wert einer Hg(II)-Salz-Lösung und der mit dieser Lösung im Gleichgewicht stehenden Gasphasenkonzentration von zweiwertigem gasförmigem Quecksilber gibt. Anknüpfend an eigene Arbeiten wurde eine umfangreiche Messkampagne an laufenden Müllverbrennungsanlagen durchgeführt. Diese an Großanlagen erhaltenen Messergebnisse bestätigen deutlich, dass die Übertragung dieses chemischen Grundlagenwissens auf die betriebliche Praxis realistisch ist. In Abbildung 4.1 sind die aus den Roh- und Reingaswerten ermittelten Abscheidegrade für den Wäscherbetrieb bei ph-werten < 1 dargestellt. 28

31 100% eta Hg(II) in [%] 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% HCl A HCl B HCl C 0% Zeit Abbildung 4.1:An verschiedenen Anlagen gemessener Hg(II)-Abscheidegrad für HCl-Wäscher mit einem ph-wert < 1 Die Messungen zeigen zweifelsfrei, dass der Hg(II)-Abscheidegrad die unterschiedlichsten Werte annehmen kann. Einen Abscheidegrad > 95 % erreichen für Anlage A eine Messung, für Anlage B vier Messungen und für Anlage C zwei Messungen. Der Hg(II)-Abscheidegrad ist ein aus der Reingaskonzentration und der aktuellen Rohgaskonzentration errechneter Wert und keine auslegbare Zielgröße. Die Schwankungen im Abscheidegrad verlaufen synchron zur Rohgaskonzentration. Beeinflussbar ist der Reingasgehalt hinter der Wäsche über die Waschwasserzusammensetzung. Aber auch hier gilt, dass es keinen Zusammenhang zwischen dem ph-wert einer Hg(II)-Salz- Lösung und der mit dieser Lösung im Gleichgewicht stehenden Konzentration von zweiwertigem gasförmigem Quecksilber in der Gasphase gibt. Hg(II) liegt in der Gasphase und in wässriger Lösung hauptsächlich als flüchtiges, linear gebautes L-Hg-L mit kovalenten L-Hg-Bindungen vor. Es löst sich recht gut in Wasser und geht mit den Liganden in die Waschflüssigkeit über. Dabei steht nur das undissoziiert gelöste HgL2 im Gleichgewicht mit seiner Konzentration in der Gasphase. L steht hierbei für einen beliebigen so genannten Liganden wie z. B. Cl- oder Br-. In Abwesenheit zusätzlicher Liganden löst es sich als undissoziiertes HgL2 und bleibt als kovalentes Molekül im unmittelbaren Gas-Flüssig-Gleichgewicht mit dem HgL2 im Rauchgas. Sein Partialdruck über der Lösung ist bei niedrigen Konzentrationen gut beschreibbar durch das Henry sche Gesetz. Sobald das Waschwasser aber einen Ligandenüberschuss z. B. aus gelösten Säuren oder Salzen enthält, reagiert es mehr oder weniger unter Bildung nicht flüchtiger Komplexe zu HgL3- und HgL42-. Der Einfluss des ph-wertes wird bei der Betrachtung der Lage der Redoxpotenziale sichtbar. Das Potenzial eines Redoxpaares hängt dann vom ph-wert ab, wenn bei der chemischen Reaktion, durch die ein Element in eine andere Oxidationsstufe überführt wird, Wasserstoffionen gebildet bzw. verbraucht werden. 29

32 Der niedrige ph-wert im HCl-Wäscher begünstigt die Reduktion von Sauerstoff von der Oxidationsstufe 0 zur Oxidationsstufe II. Die benötigten Elektronen kann ein Hg(0)-Atom liefern, das dabei zu Hg(II) oxidiert wird. Die Reduktion von Hg(II) zu Hg(0) wird unterdrückt. Im Unterschied dazu werden bei der Oxidation von Schwefel von der Oxidationstufe +IV in Schwefeldioxid oder Sulfit zur Oxidationsstufe +VI im Sulfat H+-Ionen gebildet (bzw. in einer gleichberechtigten Formulierung, OH--Ionen verbraucht). Diese unerwünschte Reaktion läuft im neutralen, also weniger sauren Bereich, wie z. B. im SO 2 -Wäscher gegeben, leichter ab. Die Reduktion von Hg(II) zu Hg(0) wird hier begünstigt. So wie der ph-wert sich auf die Lage der Redoxpotenziale von O 2 und SO 2 auswirkt, so wirkt sich die Ligandenkonzentration nur auf die Redoxpotenziallage des Quecksilbers aus. Die Analyse dieses Sachverhaltes liefert als Ergebnis, dass die Potenzialverschiebung für Hg zwischen der Spezies Hg2+ und der Spezies HgCl42- (durchkomplexiert) ähnlich groß ist wie die Potenzialverschiebung für Sauerstoff bzw. Schwefel bei einer Absenkung des ph-wertes von 7 (SO 2 - Wäscher-Bedingungen) auf 0 (HCl-Wäscher-Bedingungen). Durch die Anwesenheit (z. B. Bromid, Jodid) oder den Einsatz stärkerer Komplexbildner (z. B. Thiocyanat, Thiosulfat) lässt sich ein zusätzlicher Gewinn realisieren. Der Sachverhalt wird in den beiden folgenden Abbildungen deutlich: 1000 HCl A Hg(0) Freisetzung [µg/m³] HCl B HCl C SO2 A SO2 B SO2 C 0, ph [ ] Abbildung 4.2: Hg(0)-Freisetzung über dem ph-wert In Abbildung 4.2 sind alle Messungen dargestellt, bei denen eine Freisetzung von Hg(0) über dem Wäscher ermittelt wurde. Für die Mehrzahl der Einzelmessungen in den SO 2 -Wäschern, aber nur bei etwa der Hälfte der Messungen in den HCl-Wäschern kann eine Hg(0)-Bildung über den Wäscher nachgewiesen werden. Dies ist ein deutlicher Hinweis auf die hemmende Wirkung des HCl-Wäscherbetriebs auf die Reduktion von Hg(II) zu Hg(0). Sobald es jedoch zu einer Freisetzung von Hg(0) kommt, kann keine Abhängigkeit vom ph-wert festgestellt werden. Die Konzentration an freigesetztem Hg(0) ist vom Wäscherbetrieb unabhängig. 30

33 Vielmehr wird hier die Abhängigkeit vom Anlagenstandort und damit von der Rohgaszusammensetzung und der sich daraus ergebenden Waschflüssigkeitszusammensetzung deutlich Hg(II)gas hinter der betrachteten Stufe [µg/m³] HCl A HCl B HCl C SO2 A SO2 B SO2 C [Cl-]/[Hg++] in [mol/l]/[mmol/l] Abbildung 4.3: Hg(II)-Reingaskonzentration über QCl Die Darstellung der Hg(II)-Reingaskonzentration hinter der jeweils betrachteten Wäscherstufe (Abbildung 4.3) liefert den Beweis für die Richtigkeit der o. g. Ausführungen. Unabhängig vom Wäschertyp und der Betriebsweise fügen sich alle Messpunkte in eine gedachte Ausgleichskurve. Diese entspricht dem theoretischen Konzentrationsverlauf von zweiwertigem Quecksilber in Abhängigkeit des Ligandenüberschusses. Wieso hält sich trotz der inzwischen erdrückenden Beweislage hartnäckig die Überzeugung, dass Quecksilber ohne eine saure Waschstufe nicht gut abgeschieden werden kann? Aufgrund des niedrigen ph-wertes und des normalerweise großen Liganden-Inventars bietet der erste Wäscher gute Bedingungen für die Hg-Komplexierung und die Unterdrückung der Bildung von Hg(0) aus Hg(II). Ohne regulierende Maßnahmen ergibt sich das Verhältnis von Hg(II) und Cl- jedoch weitgehend aus der Rauchgaszusammensetzung und ist damit vom System vorgegeben. Die Zusammensetzung der HCl-Waschflüssigkeit bestimmt die Konzentrationen an HCl und Hg(II)g im Reingas und damit das Verhältnis von HCl und Hg(II) im Rohgas vor dem SO 2 -Wäscher. Die HCl-Gleichgewichtskonzentration ist aber auch hinter einer stark sauren Wäsche sehr klein. Deshalb wird die Hg-Komplexierung im SO 2 -Wäscher durch das geringe Ligandenangebot erschwert, gleichzeitig jedoch die Reduktion des Hg(II) zu Hg(0) durch den ph-wert zusätzlich begünstigt. Parallel zur Auswertung der Messergebnisse wurde ein erster Modellansatz zur Bewertung der reduzierenden Wirkung von SO 2 mithilfe der Redoxlage der Hg-Komplexe formuliert. In Bezug auf Hg0 sind jedoch noch einige Fragen offen und mit den bisher durchgeführten Untersuchungen nicht schlüssig zu beantworten. In der Bearbeitung der Hg0-Problematik liegt der Schwerpunkt der weiterführenden Arbeiten. 31

34 Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen 14882N gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Ing. Margot Bittig +49 (0) Weiterentwicklung eines Prüfkanals und wissenschaftliche Untersuchungen von Koaleszerelementen nach DIN EN 779 Um Filter im Ansaugstrom von Turbinen oder Kompressoren vor Tropfen (z. B. Regen, Nebel, Gischt) zu schützen, werden häufig Koaleszer eingesetzt, die diese Tropfen abscheiden und ableiten sollen. Der ebenfalls in der Ansaugluft enthaltene Staub soll dagegen die Koaleszer passieren, um ein Verblocken durch nassen Staub zu vermeiden, und erst in den nachfolgenden Filtern abgeschieden werden. Für die gezielte Entwicklung und Optimierung von Koaleszern hinsichtlich Material, Form und Anordnung wurde der IUTA-Prüfstand zur Filterprüfung nach DIN EN 779 so umgebaut und erweitert, dass damit Prüfungen von Koaleszern unter praxisnahen Bedingungen durchgeführt werden können. Die notwendigen Erweiterungen beruhen im Wesentlichen auf der erforderlichen Befeuchtung der Luft auf über 90 % rel. Feuchte und der Bereitstellung von Wassertropfen mit einer genügend konstanten Partikelanzahlkonzentration und -verteilung. Um so hohe Feuchten ohne großen Aufwand und Wasserverbrauch zu realisieren, wurde der vorhandene Prüfstand zum Ringkanal erweitert. Durch drei Klappen kann der Frischluftanteil kontinuierlich verändert werden. Trotz dieser Änderungen kann der Prüfstand weiterhin für einen der Norm entsprechenden Filtertest eingesetzt werden. Die Befeuchtung erfolgt in der Befeuchterkammer durch Eindüsen von Wasser mit zwei Zweistoffdüsen. Als Zerstäubungsmedium wird Druckluft verwendet. Der Wasserdurchsatz wird über ein Ventil mit Stellmotor eingestellt. Ein nachgeschaltetes Lochblech realisiert eine erste Vergleichmäßigung der Strömung. Um die durch die Verdunstung hervorgerufene Abkühlung auszugleichen, wurde ein Wärmeübertrager vorgeschaltet, der an die Thermoölanlage des Hauses angeschlossen ist. Die Auslegung des Prüfstands erfolgte nach den Anforderungen des Kooperationspartners für Volumenströme bis 5000 m³/h und maximale Drücke von 5000 Pa. Die Ausführung der Kanäle in 2 mm starkem Edelstahlblech eröffnet die Möglichkeit auch mit Salzaerosolen zu experimentieren. 32

35 Für die Aerosoldosierung wurde eine Zweistoffdüse in den Prüfkanal entgegen der Luftströmungsrichtung eingebaut. Diese Anordnung erwies sich in an der Universität Duisburg-Essen durchgeführten Vorversuchen als sinnvoll, um eine gleichmäßige Aerosolverteilung über dem Kanalquerschnitt zu erreichen. Wie in DIN EN 779 vorgesehen, werden Konzentration und Größenverteilung des Aerosols mit einem optischen Partikelzähler gemessen, hier einem welas der Firma Palas. Abbildung 4.4: Modifizierter Prüfstand in Anlehnung an DIN EN 779 Die Bestimmung des Volumenstroms erfolgt durch Differenzdruckmessung über ein vor dem Ventilator in den Rohrkanal eingebautes Wilson-Staugitter. Für die Erfassung der Temperatur sind vor und hinter dem Wärmeübertrager und vor und nach dem Prüfling jeweils Pt-100-Sonden eingebaut. Außerdem werden Temperatur und Feuchte nach dem Wärmeübertrager und nach der Befeuchterkammer gemessen, der Absolutdruck am Wilson-Staugitter sowie Absolut- und Differenzdruck am zu prüfenden Filter bzw. Koaleszer. Bei erforderlicher starker Befeuchtung (Wasserüberschuss) wird der Wasserstand am Boden der Befeuchterkammer über einen Schwinggabelschalter kontrolliert. Das überschüssige Wasser kann dann durch einen Kugelhahn abgelassen werden. Für die automatisierte Prüfstandsregelung bzw. -steuerung wurden eine Simatic-Steuerung sowie eine graphische Bedienoberfläche in den Prüfstand integriert und entsprechend programmiert. Ansteuerbar sind die bereits erwähnten Klappen, regelbar die Ventilatordrehzahl (Volumenstrom), die Stellung des Absperrschiebers für das Wärmeträgeröl (Temperatur) und die Ventilstellung für den in die Befeuchterkammer eingedüsten Wasserstrom (Feuchte). Da für die Prüfungen der Betriebsvolumenstrom am Prüfling maßgeblich ist, wurde die Software so programmiert, dass der über das 33

36 Wilson-Staugitter gemessene Volumenstrom mithilfe der Messwerte für Absolutdruck, Temperatur und Feuchte automatisch umgerechnet wird. Um die Gleichmäßigkeit der Anströmung der Filterfläche zu überprüfen, wurde eine Geschwindigkeits-Netzmessung an neun Punkten bei drei verschiedenen Volumenströmen durchgeführt, wie in DIN EN 779 beschrieben (Abschnitt 8.2). Dabei zeigte sich zunächst, dass die Anströmung vor allem bei großen Volumenströmen sehr ungleichmäßig war. Durch den Einbau eines Lochblechs vor dem eigentlichen Prüfkanal konnten die Abweichungen vom Mittelwert auf das zulässige Maß reduziert werden. Der so modifizierte Prüfstand erlaubt es über die Standardprüfungen der Norm hinaus auch Messungen des Fraktionsabscheidegrades mit Wasser- bzw. Salzaerosolen bei hohen relativen Feuchten. Abbildung 4.5: Fraktionsabscheidegrad der einzelnen Filterschichten Mit dem so modifizierten Versuchsstand wurden umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen von Koaleszerelementen und anderen Filtermaterialien, wie zum Beispiel Taschenfiltern und darüber hinaus auch Filtern aus neuen Materialien, durchgeführt. Ein weiteres Ergebnis der Untersuchungen besteht in der Möglichkeit den Fraktionsabscheidegrad durch Kombination von Koalezern zu verbessern unter der Randbedingung eines kontollierten Druckverlustes. In Abbildung 4.5 sind die Fraktionsabscheidegrade zweier einzelner Filter mit unterschiedlichem Druckverlust dargestellt. Es bietet sich an, in einer Kombination den mit dem geringeren Druckverlust in einer denkbaren Kombination anströmseitig einzusetzen. Ansprechpartner Dipl.-Ing. Jörg Lindermann +49 (0)

37 4.1.3 Untersuchung des Einflusses keramischer Dielektrika bei der Entwicklung einer elektrostatischen Feinstpartikelabscheidung für den Kombi-Kraftwerksprozess mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF) An der DKSF-Versuchsanlage in Dorsten wurde auf Basis empirischer Versuche eine effektive Feinstpartikelabscheidung für Temperaturen über 1000 C realisiert, deren elektro-physikalisches Wirkprinzip im Rahmen eines wissenschaftlichen Projekts, auch im Hinblick auf weitergehende Anwendungen, untersucht wurde. Die experimentellen Ergebnisse aus Dorsten deuten darauf hin, dass hinsichtlich der Abscheidung der Feinstäube die geschickte Kombination von Elektronenemissionen aus keramischen Systemkomponenten bei hohen Temperaturen, in Verbindung mit einem moderaten elektrostatischen Potenzialfeld, den Schlüssel zum Erfolg darstellen können. In diesem Projekt wurde das Hauptaugenmerk auf den Einfluss der keramischen Abscheidekomponenten auf die erreichbare Partikelabscheidung gelegt. Um die an der DKSF-Versuchsanlage in Schüttschichten beobachteten Effekte unter möglichst gut definierten Randbedingungen untersuchen zu können, wurde am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) der Universität Karlsruhe ein Laborversuchstand aufgebaut, der aus einem beheizten Rohrreaktor mit Glühemissionsstrecke (T max = 1400 C) und einer unbeheizten Abscheidezone (T max = 750 C) besteht. Die begleitende Modellentwicklung und Simulationsrechnungen wurden am Institut für Energie- und Umwelttechnik e.v. (IUTA) in Duisburg durchgeführt. Abbildung 4.6: Partikelladung nach 1s in Abhängigkeit von der Elektronenaustrittsarbeit des Partikels bei einem negativen Ionenüberschuss von N Ion = /cm 3 (Beispiel: dp = 1 µm, N Part = /m 3 ) Während frühere Untersuchungen von einer positiven Aufladung der Partikeln aufgrund von Thermoionisation ausgingen, konnte im Rahmen dieses Projekts gezeigt werden, dass die Elektronenemission der Partikeln bei hohen Temperaturen weitaus stärker durch die Elektronenemission von keramischen Systemkomponenten überlagert wird und die Partikelladung in den negativen Bereich verschoben werden kann. 35

38 Abbildung 4.6 zeigt die resultierende Partikelladung in Abhängigkeit von der Temperatur und Elektronenaustrittsarbeit der Partikeln bei zusätzlicher Bildung negativer Ionen aus den Elektronemissionen der keramischen Materialien. Auffällig ist in dem gezeigten Beispiel die weite des Temperaturbereichs, in dem negative Partikelladungen vorzufinden sind. Bezogen auf den Fall des, im Rahmen der Untersuchungen modellierten, wandbeheizten Rohrreaktors bedeutet dies, dass die negative Partikelladung auch bei sinkender Prozesstemperatur nur langsam abnimmt und zur elektrophoretischen Abscheidung der Feinstpartikeln weiter genutzt werden kann. Abbildung 4.7 zeigt die sich gegenseitig beeinflussenden Prozessgrößen im Rohrreaktor bei einer angelegten Potenzialdifferenz von 2000 V und einer Ofentemperatur von 1000 C. Dieses Ergebnis bildet die Basis für die Erklärung der an der Versuchsanlage in Dorsten beobachteten Phänomene, wobei es erstmals gelungen ist, experimentelle und numerische Untersuchungen qualitativ abzugleichen und von beiden Methoden gestützte Erklärungsansätze zu finden. Damit ist ein Meilenstein im Verständnis dieser elektrostatischen Hochtemperatur-Feinstpartikelabscheidung erreicht worden. Die Untersuchungen bestätigen, dass eine signifikante negative Aufladung der Partikeln bereits bei einer Ofentemperatur von etwa 800 bis 900 C möglich ist. Diese Erkenntnis eröffnet neue Möglichkeiten für auch Prozesse, die die hohen Temperaturen der DKSF nicht erreichen. Die Übertragung dieses Konzeptes der Partikelabscheidung auch auf die Kohleverbrennung in CO 2 - Atmosphäre (Oxycoal) und auf die Weiterentwicklung der IGCC-Technologie ist der nächste Schritt. Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen IGF 149Z gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Ing. Till van der Zwaag +49 (0)

39 Abbildung 4.7: Prozessgrößen in der Abscheidezone des Rohrreaktors (V = 6,6 lpm bei 20 C, TOfen = 1000 C, dp = 145 nm, cion, inlet = /cm 3, U = 2000 V, Waw = 3 ev) 37

40 4.1.4 Einfluss von Ladungseffekten bei Nano-Partikeln in Hochtemperaturprozessen Die großtechnische Herstellung von Nano-Partikeln, zum Beispiel in der Pigment- und Rußproduktion, findet überwiegend in der Gasphase statt. Gasphase-Verfahren werden in der Regel bei hohen Temperaturen betrieben. Bei solchen Temperaturen werden aus den vorhandenen Partikeln Ladungen freigesetzt und die Partikel auf diese Weise geladen. Elektrische Ladungen beeinflussen wichtige Partikelbildungsmechanismen wie Koagulation und Keimbildung, und damit auch die resultierenden Partikeleigenschaften des Produkts. Insbesondere die Koagulation spielt bei der dynamischen Entwicklung der Partikel eine wichtige Rolle. Daher beeinflussen Ladungen maßgeblich eines der wichtigsten Produktmerkmale, die Partikelgrößenverteilung. Da der Ladungszustand der Partikel im Reaktor jedoch experimentell nicht zu ermitteln ist, kann sein Einfluss nur über Simulationsverfahren als Werkzeug untersucht werden. Ein solches Verfahren erfordert die geschlossene Simulation der Partikeldynamik unter Berücksichtigung von verteilten Partikeleigenschaften wie Größe, Zusammensetzung, Form und Ladungszustand. Verteilte Eigenschaften können durch Populationsbilanzen berechnet werden. Ein an der Universität Duisburg-Essen am Lehrstuhl Nanostrukturtechnik (NST) entwickeltes Monte Carlo-Simulationsverfahren erlaubt eine relativ einfache und numerisch effiziente Simulation verteilter Eigenschaften. Die Gleichungen für die Partikeldynamik beinhalten keine räumliche Auflösung, d. h. es wird davon ausgegangen, dass die Partikel im gesamten Raum homogen verteilt sind. Soll berücksichtigt werden, dass die Verteilungen der Partikeleigenschaften in verschiedenen Zonen eines Reaktors unterschiedlich sind und sich unterschiedlich entwickeln, muss der Raum in Zellen unterteilt und somit diskretisiert werden. Mit einer solchen Diskretisierung arbeiten Computational Fluid Dynamics (CFD)-Programme. CFD-Programme ermöglichen die Berechnung der für die Simulation wichtigen Größen wie Temperatur und Strömungsverhältnisse. Ziel der Untersuchungen ist es, die dem deterministischen Verfahren zugrunde liegende Ortsauflösung mit statistischen Methoden zur Abbildung von Populationsbilanzen zu verbinden und ein geeignetes Schnittstellenmodul zu entwickeln, das die Übertragung der Daten zwischen den beiden Methoden ermöglicht. Im Rahmen des Projekts werden am IUTA ausgewählte Fallbeispiele hinsichtlich der vorherrschenden Strömungs- und Temperaturprofile modelliert und die berechneten Profile an den Monte Carlo- Code übergeben. Hierzu wird das kommerzielle CFD-Solver FLUENT verwendet. Aufgrund seiner großen Verbreitung in der Wirtschaft und Wissenschaft bietet sich FLUENT als Basis für die Verknüpfung der deterministischen und statistischen Methoden an. Als Fallbeispiele dienen ein Wandbeheizter Rohrreaktor, die Herstellung von Kompositpartikeln und die Abscheidung von Nanopartikeln im elektrischen Feld. 38

41 Abbildung 4.8: Berechnetes Temperaturprofil im Reaktor mit Indium-Schiffchen Im Fallbeispiel 1 wird Indium in einem Schiffchen im Rohrreaktor verdampft. Bei Abkühlung des Gases außerhalb der beheizten Zone bilden sich durch Nukleation Primärpartikeln, die durch Aufkondensieren von gasförmigem Indium beim Passieren des Reaktors anwachsen. Ziel ist es, die resultierende Partikelgröße für den technischen Einsatz exakt einstellen zu können. Abbildung 4.9: Berechneter Temperaturverlauf entlang Reaktorwand und Achse Abbildung 4.8 zeigt das ermittelte Temperaturprofil im Reaktor und Abbildung 4.9 zeigt die ermittelten Temperaturen entlang der Wand- und längs der Reaktorachse. 39

42 Die ermittelten Strömungs- und Temperaturprofile wurden zur Weiterverarbeitung aus FLUENT exportiert und werden im weiteren Projektverlauf für Berechnungen mit dem Monte-Carlo Modell verwendet. Damit ist die Basis für die Berechnung der Partikeldynamik gelegt. Es steht das Strömungs- und Temperaturprofil für Fallbeispiel 1 zur Verfügung und kann sowohl für Partikeldynamikberechnungen mithilfe des Monte Carlo-Codes als auch unter Verwendung der vorliegenden deterministischen Partikelmodelle herangezogen werden. Im weiteren Projektverlauf werden die beiden anderen Fallbeispiele abgebildet und darüber hinaus partikeldynamische Betrachtungen sowohl mit den vorhandenen deterministischen Modellen als auch mit dem Monte Carlo-Verfahren durchgeführt. Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen AiF gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU).. Ansprechpartner Dipl.-Ing. Till van der Zwaag +49 (0) Entwicklung einer Anlagen-Reinigungstechnologie für die Lebensmittelindustrie, die das Verschleppen allergener Lebensmittelbestandteile vermeidet Lebensmittelzubereitungen können Bestandteile enthalten, die beim Verzehr je nach Art, Konzentration und Empfindlichkeit der sensibilisierten Menschen zu allergenen Reaktionen führen. Ca. 90 % der Reaktionen sind auf lediglich 8 solcher Lebensmittel zurückzuführen. Die in der Richtlinie 2003/89/EG vorgesehene Lebensmittel-Kennzeichnungspflicht, auch für nur in geringem Umfang enthaltene, allergene Inhaltsstoffe, soll diesbezüglich den von Lebensmittelallergie betroffenen Verbrauchern umfassende Informationen geben. Dies betrifft insbesondere Eier, Milch und Schalenfrüchte. Aufgrund ihrer weiten Verbreitung stellen Backmischungen und Fertigcompounds für das Bäckerhandwerk und die Backwarenindustrie eine Produktgruppe dar, für die die verschärften Allergenkennzeichnungen von großer Bedeutung sind. Ihre Produktion ist durch eine breite Palette von verwendeten Zutaten und durch einen häufigen Produktwechsel auf denselben Anlagen sowohl hinsichtlich unterschiedlicher Rezepturen als auch unterschiedlicher Produkte gekennzeichnet. Die bei der Herstellung von Trockenmischungen derzeit typischerweise eingesetzten mechanischen Reinigungstechnologien, wie Ausblasen mit Druckluft oder Absaugen bzw. Ausfegen, können eine 40

43 Abreinigung der zum Teil an den Oberflächen anhaftenden allergenen Bestandteile nicht im erforderlichen Umfang gewährleisten. Der Einsatz von Hochdruck-Waschverfahren (Stichwort CIP, Cleaning-In-Place) verbietet sich insbesondere bei der Produktion von trockenen Produkten, wie Backmischungen, da gegebenenfalls lange Trocknungszeiten zu berücksichtigen sind oder nicht ausreichend abgetrocknete, produktseitige Oberflächen zum Verklumpen des Produkts und gegebenenfalls zu einer mikrobiellen Belastung der Produkte führen können. Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung einer innovativen Reinigungstechnologie, die ohne Verwendung von freiem Wasser eine weitgehende Reinigung der produktseitigen Oberflächen der Apparate ermöglicht und somit eine Minimierung der Verschleppung allergener Lebensmittelbestandteile gewährleistet. Das Verfahren basiert auf dem Einsatz einer filmbildenden Kolloidlösung, die unter Beteiligung von IUTA für Reinigungskonzepte in der pharmazeutischen Industrie entwickelt wurde und dort mit Erfolg eingesetzt wird (AiF-Forschungsbericht 99 ZN/2, 2006). Eine Lösung filmbildender Hydrokolloide wird dabei auf die zu reinigenden Oberflächen aufgebracht, trocknet an, und kann zusammen mit den anhaftenden und eingebundenen Verunreinigungen leicht abgezogen und entfernt werden. Eine Kontrolle des erzielten Reinigungserfolges ist durch geeignete chemisch-analytische oder mikrobiologische Verfahren möglich. Aufgrund der vorliegenden Erfahrungen ist insbesondere der Einsatz von Gelatine als Kolloidaler-Filmbildner vielversprechend. Schwerpunkt der Arbeiten von IUTA ist die Entwicklung einer geeigneten technischen Lösung zum Auftragen bzw. Aufsprühen der Kolloidlösungen. Hier sind sowohl die rheologischen Eigenschaften der Fluide als auch die Filmbildungseigenschaften unter Berücksichtigung praxisrelevanter Apparategeometrien zu optimieren. Wesentliche Zielparameter sind das erzeugte Sprühbild, die erzielbare Filmdicke, Hafteigenschaften des Films an der Oberfläche, Elastizität des Films, Zeitdauer bis zur (elastischen) Erstarrung des Films, Ablöseeigenschaften und Einbindung des Partikelmaterials. Dabei dürfen Kostengesichtspunkte nicht außer Acht bleiben, da eine erhebliche Verteuerung der Produktion vermieden werden soll. Das Auftragen der Kolloidlösung wird in der Praxis durch Versprühen realisiert; hier sind Ein- oder Zweistoffdüsen einsetzbar. Ausgehend von Erfahrungen aus einem weiteren AiF-Vorhaben (AiF Vorhaben 9768, Entwicklung eines Verfahrens zur verbesserten Entsorgung von leichtgebundenen mineralischen Asbest-Fasern und Stäuben durch Einsatz biologischer Quellstoffe) werden für den vorliegenden Anwendungsfall Weiter- bzw. Neuentwicklungen im Hinblick auf die optimale Anhaftung des Films an den Apparateoberflächen und die praktikable Entfernung des Films vorgenommen. IUTA führt hier Parameterstudien zur Auswahl optimierter Auftragungsbedingungen durch. Wesentlich für die Praxistauglichkeit einer solchen Reinigungsmethode ist insbesondere auch die Möglichkeit, den Film rasch und vollständig, ohne großen operativen und zeitlichen Aufwand zu entfernen. Nachfolgende Abbildungen 4.10 und 4.11 zeigen exemplarisch, dass bei optimaler Einstellung der rheologischen und kolloidbildenden Eigenschaften die Ablösung des Kolloidfilms möglich ist, ohne diesen dabei zu zerreißen. 41

44 Abbildung 4.10: Ablösen des elastisch vernetzten Kolloidfilms von einem zylindrischen Edelstahlkörper Abbildung 4.11: Abgelöster Kolloidfilm Das Forschungsvorhaben wird in Kooperation mit dem Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik (DIL) in Quakenbrück und der Universität Hamburg, Institut für Biochemie und Lebensmittelchemie, bearbeitet. Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen AiF gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Ing. Achim Hugo +49 (0) Entwicklung eines standardisierten Verfahrens zur Erzeugung eines Prüfaerosols mit definierten Ladungseigenschaften Das Forschungsprojekt verfolgt das Ziel, ein standardisiertes Verfahren zur Erzeugung eines Prüfaerosols mit definierter elektrischer Ladungsverteilung für die Prüfung unterschiedlicher Filter zu entwickeln. Filterprüfstände sind hinsichtlich der Bereitstellung des Prüfaerosols primär darauf ausgelegt, eine definierte Durchmesserverteilung der Prüfpartikel reproduzierbar bereitzustellen. Bei der klassischen Generierung, wie zum Beispiel beim Dispergieren von Pulvern oder beim Zerstäuben von Flüssigkeiten werden die Partikel prinzipbedingt aufgeladen. Die Anzahl der elektrischen 42

45 Ladungen auf den Partikeln und die Polarität sind je nach verwendetem Aerosol-Generator unterschiedlich stark ausgeprägt. Da aber die Abscheideleistung der zu prüfenden Filter in erheblichem Maße von den elektrischen Eigenschaften des Prüfaerosols abhängt, ist eine Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse nicht zufriedenstellend möglich. Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, das Prüfaerosol nach der Generierung durch Bereitstellung von Ionen zu neutralisieren. Technisch umgesetzt wird dies durch Einsatz von Koronaentladern. Die Bestimmung der erreichten Entladung, sowie die Kontrolle der Neutralität erfolgt mittels Elektrometer oder optional durch die apparativ wesentlich einfachere und preiswertere Messtechnik über einen im IUTA entwickelten Sensorring. Durch Kombination von Messen und Entladen soll ein Verfahren enstehen, das mit universell einsetzbaren Komponenten für bestehende und neue Filterprüfstände die Konditionierung und Kontrolle der elektrischen Ladungsverteilung des Prüfaerosols entscheidend verbessert. Mehrstufen-Elektroden-Klassierer Um das Prüfaerosol zu neutralisieren, ist es sinnvoll, dieses zunächst mittels eines elektrostatischen Klassierers in eine positive und eine negative Fraktion aufzuteilen. Die unipolaren Partikel werden dann mit einem Elektrometer oder Ringsensor vermessen und es werden gegenpolige Ionen zur Entladung bereitgestellt. Beide Fraktionen führt man anschließend wieder zusammen und stellt sie für die Filterprüfung bereit. Abbildung 4.12: Partikeltrajektorien negativ geladener Partikel im elektrischen Klassierer Die Untersuchungen zur Trennung der Partikel in eine positive und negative Fraktion erfolgen mittels CFD-Berechnungen. Es wurde ein Klassierer mit mehreren hintereinander angeordneten Elektroden und angelegten Spannung von ±1,6 kv bis ±9,3 kv betrachtet. Abbildung 4.12 zeigt exemplarisch Partikeltrajektorien negativ geladener Partikel im Klassierer. Das partikelgeladene Aerosol tritt, von einem Schleierluftstrom umhüllt, in den Klassierer ein, hierbei werden die negativ geladenen Partikel zur positiven Elektrode hin abgelenkt und zum Großteil aus dem Klassierer ausgetragen. Eine kleine Anzahl von Partikeln wird auf den Elektroden abgeschieden. Dies kann durch die An- 43

46 bringung zusätzlicher Schleierlufteinlässe zum Schutz der Elektroden vermieden werden. Sinnvoll ist weiterhin ein mittig angebrachter Auslass zur Ausschleusung von neutralen ungeladenen Partikeln. Ionenbereitstellung mit verschiedenen Koronaentladern Mithilfe des Ionometers wurden verschiedene Koronaentlader hinsichtlich der zu realisierenden Ionenausbeute beurteilt. Untersucht wurden unter anderem ein kommerzieller Ionenblaskopf und verschiedene Varianten selbstkonstruierter Ionenbläser. Dabei wurde neben der Koronaspannung auch der Betriebsvolumenstrom der Bläser variiert. Bei individueller Auswahl geeigneter Parameter, abhängig vom Bautyp der Korona, konnten stabile Betriebsbedingungen realisiert werden. Ein grundsätzliches Problem bei der Verwendung der Ionenbläser zur Neutralisierung des Prüfaerosols ist die Betriebsdauer, die aufgrund von Verschmutzung der Koronanadeln mit Partikeln gegebenenfalls stark eingeschränkt ist. Dieses ist insbesondere bei der Verwendung von Gleichspannungs-Koronaentladern ein Problem, weil die hohe wirkende Feldstärke im Bereich der Koronanadeln eine Verschmutzung mit Partikeln forciert. Durch strömungstechnische Optimierung der Ionenbläser und Verwendung von ausreichend hohen Mischluftvolumenströmen ist es aber möglich, einen hinreichenden Schutz vor Verschmutzung zu realisieren. Verschiedene Konzeptionen der Anordnung der Ionenbläser und der baulichen Gestaltung der Mischkammer sind erarbeitet worden. Vergleichsmessungen von Ringsensor und Elektrometer Zur Kontrolle der Neutralisation des Prüfaerosols werden ein Ringsensor sowie ein Elektrometer eingesetzt. Um zu zeigen, dass das Ausgangssignal des Ringsensors prinzipiell für die Messung der Partikelladungen als Summenparameter geeignet ist, wurden Vergleichsmessungen mit dem Elektrometer an einem Filterprüfstand für Flachfiltermedien durchgeführt. Bei den durchgeführten Versuchen (Abbildung 4.13) wurde jeweils nach 2, 6, 10, 14 und 18 Minuten Prüfstaub aus einem Trockendispergierer zudosiert. Für das Elektrometer wurde ein Teilluftstrom mittels einer Probenahmesonde (d = 1 cm) isokinetisch entnommen, während der Ringsensor mit dem Gesamt-Volumenstrom (100 l/min) beaufschlagt wurde. Die Messdaten des Ringsensors und des Elektrometers wurden gleichzeitig mit einem Datenlogger aufgenommen, sodass ein direkter Vergleich der Ergebnisse möglich war. Die Vergleichsmessungen haben gezeigt, dass beide Verfahren geeignet sind, den integralen Ladungszustand als Summenparameter bei der Filterprüfung zu messen. Für die Auswahl der jeweils geeigneteren Messmethode müssen im Einzelfall die Prüfbedingungen (Volumenstrom, Dimensionierung des Prüfkanals, verwendetes Prüfaerosol, eingesetzter Aerosolgenerator) berücksichtigt werden. 44

47 Abbildung 4.13: Vergleichsmessungen von Ringsensor (blau) und Elektrometer (rot) Prüfstaub: SAE fine, Bürstengenerator-Vorschub 5, 10, 15, 20 und 25 mm/h Das Elektrometer liefert bei kleinen Staubkonzentrationen deutlich bessere Ergebnisse. Das Messsignal des Ringsensors ist bei kleinen Staubkonzentrationen wegen des ungünstigen Signal- Rausch-Verhältnisses nicht mehr aussagekräftig. Bei hohen Staubkonzentrationen ist aber der Ringsensor dem Elektrometer vorzuziehen, da beim Elektrometer das Problem besteht, dass die Filter-Cartrige bei längerer Betriebsdauer mit Staub beladen wird und ausgetauscht werden muss. Darüber hinaus können mit dem Ringsensor auch hoch aufgeladene Stäube, bei denen das Elektrometer-Messsignal schon außerhalb des Messbereichs liegt (z. B. Titandioxid), problemlos gemessen werden. Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen AiF gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Ing. Thomas Engelke +49 (0) Dipl. Chem. Ing. Gerhard Rapp +49 (0)

48 4.1.7 Entwicklung eines katalytisch-aktiven Filters zur Eliminierung gasförmiger Zytostatika im Abluftstrom von Sicherheitswerkbänken ZuTech-Projekt Im neuen katalytisch aktiven Filter wird mittels UV-Licht angeregtes Titandioxid eingesetzt, um Zytostatika durch Oxidation in ungefährliche Abbauprodukte zu überführen. Forschungsziele sind die Entwicklung des Katalysatorverbundmaterials und des Verfahrens der Gasphasenoxidation im Labormaßstab. Als Trägermaterialien für das Titandioxid sind unterschiedliche Folien, Gewebe und Vliese vorgesehen. Besonderer Aufwand ist notwendig, um das Katalysatormaterial auf den Trägern zu fixieren. Einerseits muss eine ausreichende Haftung realisiert werden, andererseits darf die aktive Oberfläche des Katalysatormaterials durch den verwendeten Binder nicht verklebt und damit inaktiviert werden. Versuche zur Beschichtung von Geweben und Vliesen mittels Sprühverfahren zeigen bisher nicht die gewünschte Gleichmäßigkeit im Auftrag des Titandioxids. Aktuell werden Pulverstreuverfahren getestet. Hierbei wird u. a. das als Pulver vorliegende Titandioxid mittels Klebefolie auf das Trägermaterial aufgebracht. Durch Erhitzen der Klebefolie werden das TiO2-Pulver auf der Folie und die Folie auf dem Gewebeträger fixiert. Der Versuchsstand, mit dem die unterschiedlichen Katalysatorverbundmaterialien getestet werden, besteht aus einem Rohrreaktor mit zentraler Anordnung eines UV-Niederdruckstrahlers. Zur Peripherie gehören Module zur Mess- und Regeltechnik, zur Befeuchtung des Trägerluftstroms und zur Bereitstellung von Prüfgasen. Die Aufbauarbeiten sind weitgehend abgeschlossen, sodass in Kürze Untersuchungen zum photokatalytischen Abbau von Prüfgasen durchgeführt werden können. Abbildung 4.14: Mittels Sprühverfahren beschichtetes Gewebe Abbildung 4.15: Emissionsspektrum eines UV-Niederdruckstrahlers Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen AiF 193 ZBG gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e. V. (VEU). 46

49 Ansprechpartner Dr.-Ing. Siegfried Opiolka +49 (0) Realitätsnahe Prüfmethode von Zytostatika- und Sicherheitswerkbänken Teil II Der wesentliche innovative Beitrag der neuen Personenschutzprüfung für Sicherheitswerkbänke liegt in der Verwendung von chemisch inerten und biologisch inaktiven fluoreszierenden Polystyrol- Prüfpartikeln, die für den Einsatz vor Ort geeignet sind und die substanzspezifisch durch Fluoreszenz-Mikroskopie nachgewiesen werden können. Darüber hinaus führt während des Prüfvorgangs ein mechanischer Prüfarm standardisierte Bewegungen innerhalb der Sicherheitswerkbank aus. Forschungsziele sind die Validierung der neuen Personenschutzprüfung, die Ermittlung der Praxistauglichkeit und der Vergleich mit dem aktuellen Referenzverfahren. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind für die Anerkennung der neuen Personenschutzprüfung in den beteiligten Fachkreisen und Normenausschüssen und insbesondere für die Aufnahme der neuen Prüfung in die relevanten Normen unabdingbar. Aktuelle Untersuchungen zeigen zum Beispiel die ausgezeichnete Empfindlichkeit der neuen Prüfmethode, wenn während der Prüfung eine Unterschreitung der zulässigen Strömungsgeschwindigkeit (0,40 m/s, +/- 20 %) innerhalb der Sicherheitswerkbank vorliegt. Der berechnete Schutzfaktor ist in diesem Fall deutlich kleiner als der zulässige Grenzwert von Schutzfaktor A pf Impaktor 1 Impaktor 2 Impaktor 3 Impaktor ,40 m/s 0,28 m/s Strömungsgeschwindigkeit Abbildung 4.16: Prüfaufbau der neuen Personenschutzprüfung zur Bestimmung des Rückhaltevermögens von Sicherheitswerkbänken Abbildung 4.17: Ermittelter Schutzfaktor bei vorgeschriebener und reduzierter Strömungsgeschwindigkeit innerhalb einer Sicherheitswerkbank 47

50 Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen AiF BG gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dr.-Ing. Siegfried Opiolka +49 (0) Experimentelle und theoretische Untersuchung der Sublimation bzw. Verdunstung von Partikeln im submikronen Größenbereich Forschungsziele sind Entwicklung und Anwendung eines in situ-verfahrens zur Ermittlung der Sublimations- bzw. Verdunstungsraten von toxischen und umweltgefährdenden Substanzen geringer Volatilität, die als luftgetragene submikrone Partikel in die Umgebung freigesetzt werden. Klassierer-DMA Partikelmessstrecke Anzahlverteilung Anzahlverteilung SMPS-DMA End-Durchmesser d p75 [nm] Experiment Theorie Akkommodations-Koeffizient: 1 0, ,01 3 0, D g D 0 g Abbildung 4.18: Prinzipskizze zum Volatilitätsanalysator Start-Durchmesser d p0 [nm] Abbildung 4.19: Gemessene Abnahme des Durchmessers von trockenen Cyclophosphamid-Partikeln bei einer Temperatur von 30 C und einer relativen Luftfeuchtigkeit kleiner als 5 % Ein konkretes Anwendungsbeispiel ist die Bestimmung des Übergangs von Zytostatika aus der Partikel- in die Gasphase. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses sowie die Abhängigkeit von Randbedingungen wie z. B. Luftfeuchtigkeit und Temperatur wird ermittelt. Zentrales Element des Versuchsstands ist der Volatilitätsanalysator, der die Änderung der Anzahlverteilung eines Aerosols nach Durchlaufen einer Partikelmessstrecke erfasst. Innerhalb der Partikelmessstrecke erfolgt je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit ein mehr oder minder starker Stoffübergang aus der Partikel- 48

51 oberfläche in die Gasphase, der zur Minderung des Partikeldurchmessers führt. Aus der Änderung des Partikeldurchmessers kann auf die abgegebene Stoffmenge geschlossen werden. Trockene Partikel sublimieren, Flüssigkeitstropfen verdunsten. Die experimentell ermittelten Daten werden mit Modellrechnungen verglichen, die zur Prognostizierung der Sublimations- und Verdunstungsraten auf Basis der physikalischen und chemischen Parameter der untersuchten Substanzen abgeleitet werden. Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen AiF gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dr.-Ing. Siegfried Opiolka +49 (0)

52 4.2 Luftgetragene Partikel/ Luftreinhaltung Nanopartikel an Arbeitsplätzen in der Produktion Die Herstellung und Verwendung funktioneller Materialien mit neuen chemischen und physikalischen Eigenschaften, die ihre Ursache in der geringen Größe des eingesetzten Ausgangsmaterials (Nanomaterialien) haben, gilt als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts, die so genannte Nanotechnologie. Beispielsweise kann die Verwendung von Nanopartikeln bei der Werkstoffherstellung eine positive Veränderung der Werkstoffeigenschaften ermöglichen. Neben diesen positiven Eigenschaften stellt sich gleichzeitig aber auch die Frage nach möglichen gesundheitlichen Risiken, die Nanopartikel durch Freisetzung hervorrufen können. Informationen über die Exposition von Arbeitern mit Nanopartikeln sind kaum vorhanden bzw. schwer vergleichbar, da es bisher keine Standardvorschriften zu ihrer Bestimmung gibt. Neben den fehlenden Standards und Grenzwerten existiert zurzeit auch keine zum Einsatz im Feld geeignete Messtechnik zur Bestimmung der Belastung mit Nanopartikeln am Arbeitsplatz. Um eine Expositionsbeurteilung und darauf aufbauend eine Toxizitätsbeurteilung durchführen zu können, wurden in diesem Forschungsprojekt Strömungssimulationen zur Beschreibung der Ausbreitung von Nanopartikeln an Arbeitsplätzen nach beabsichtigter oder unbeabsichtigter Freisetzung und der Aufbau einer mobilen Prüfplattform mit geeigneter Messtechnik zur Bereitstellung eines Systems, mit dem die physikalische und chemische Charakterisierung von Nanopartikeln an Arbeitsplätzen ermöglicht wird, durchgeführt. Bei den Strömungssimulationen standen die Ausbreitung und Änderung der Partikel, basierend auf physikalischen Prozessen, im Fokus der Untersuchungen. Dazu wurden Modelle für 3 verschiedene Szenarien erstellt und strömungstechnische Untersuchungen durchgeführt. Diese ausgewählten Szenarien waren Leckage in einer Transportleitung bei der Nanopartikelproduktion, Freisetzung von Nanopartikeln von einem Transportband und Freisetzung von ultrafeinen Partikeln an einem Schweißarbeitsplatz. Die Auswahl betrifft alltägliche Fälle. Die Verteilungen der Nanopartikel nach Zeit und Raum lassen sich praktisch nur über Modellrechnungen erfassen, denn nur hierdurch werden die mitunter sehr komplexen Strömungsverhältnisse sowie die daraus resultierenden Partikelverteilungen ersichtlich. Es verwundert nicht, dass die Expositionskonzentration sehr stark von der Position im Raum abhängt. Es ergaben sich zum Teil auch unterschiedliche Expositionsszenarien für eine sitzende und stehende Person aufgrund ihrer unterschiedlichen Atemhöhe. Bei hohen freigesetzten Partikelkonzentrationen ändert sich die Größenverteilung der Partikel im Raum durch Koagulation. Aus den durchgeführten Arbeiten wird deutlich, wie eine CFD-Modellierung der jeweils am Arbeitsplatz vor- 50

53 herrschenden Bedingungen zu einem deutlich besseren Verständnis der Partikeltverteilung am Arbeitsplatz sowie der Beurteilung der Exposition beitragen kann. Abbildung 4.20: Beispiel einer vektoriellen Darstellung der Strömung in einer konzipierten Werkhalle In diesem Forschungsprojekt wurde auch eine mobile Prüfplattform entwickelt und aufgebaut, die die physikalische und chemische Charakterisierung von Nanopartikeln an Arbeitsplätzen ermöglicht. Aus den am Markt angebotenen Messgeräten wurden die geeigneten im Rahmen eines Leistungsvergleichs ausgewählt. Sie bilden die Basisausstattung der Prüfplattform. Abbildung 4.21:Mobile Prüfplattform 51

54 Für Untersuchungen an Arbeitsplätzen wurden Verfahrens- und Messtrategien ausgearbeitet und das Konzept der Auswertung der Messergebnisse festgelegt und dann mit exemplarischen Messungen gestestet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und Forschung des Ende 2006 abgelaufenen Projekts werden bereits angewendet. Die Prüfplattform hat ihren ersten Feldeinsatz im Verbundprojekt Nano- Care. Das Forschungsvorhaben wurde unter Förderkennzeichen gefördert durch: Ansprechpartner Dr. rer. nat. Thomas Kuhlbusch +49 (0) Dr.-Ing. Christof Asbach +49 (0) Uwe Rating +49 (0) Dipl.-Ing. Heinz Kaminski +49 (0) Verbundprojekt NanoCare Gesundheitsrelevante Aspekte synthetischer Nanopartikel: Schaffung einer allgemeinen Informations- und Wissensbasis als Grundlage für eine innovative Materialforschung Gerade weil die Nanotechnik zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts gehört muss das Gefährdungspotenzial durch begleitende Forschung abgesichert werden. Große Studien der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass die Datenlage für eine Risikoabschätzung der Gefährdung der menschlichen Gesundheit durch Nanopartikel bei weitem nicht ausreicht. Damit einhergehend gewinnt eine eher negative Berichterstattung der internationalen Tagespresse langsam die Oberhand, die bis hin zur Forderung nach einem Moratorium der Nanotechnologie geht. Die schlechte Informationslage könnte in naher Zukunft zu einem Umschlagen der augenblicklich noch positiven Einstellung gegenüber der Nanotechnologie führen und damit erhebliche Akzeptanzprobleme für ihren breiten Einsatz mit sich bringen. Es ist unbestreitbar, dass der wirtschaftliche Erfolg der Nanotechnologie ohne die gesellschaftliche Akzeptanz in Frage steht. Mitte letzten Jahres ist das Verbundprojekt NanoCare ins Leben gerufen worden. Im Zusammenschluss von insgesamt 13 Projektpartnern aus Wissenschaft und Industrie sollen Untersuchungen und Forschungsarbeiten durchgeführt werden, um neue wissenschaftliche Daten und Fakten zu gesundheitlichen Auswirkungen zu gewinnen und damit den verantwortungsbewussten Einsatz neuartiger Nanopartikel gewährleisten. 52

55 Abbildung 4.22: Das NanoCare Konsortium Das Forschungsvorhaben soll dazu beitragen, Forschung und Produktion im Bereich der chemischen Nanotechnologien am Standort Deutschland international konkurrenzfähig zu halten, Forschungs- und Wissenslücken zu schließen und das Vertrauen in deutsche Produktion und Produktqualität zu stärken. Es werden sich notwendige Maßnahmen beim Umgang mit Nanomaterialien am Arbeitsplatz aus den geplanten Expositionsmessungen ableiten lassen, und diese Arbeiten sollen schließlich zur Standardisierung der erforderlichen Messverfahren beitragen. Die Projektpartner werden gemeinsam neuartige Anwendungen und Messmethoden für den vorsorgenden und nachhaltigen Umgang mit chemischen Nanotechnologien entwickeln. Die Ergebnisse haben dann direkten Einfluss auf Art und Umfang des Regulierungsbedarfs und werden durch den geplanten proaktiven Dialog, d. h. durch frühzeitige Einbindung der unterschiedlichen Akteure, die Diskussion um mögliche Risiken versachlichen und einer Konflikteskalation vorbeugen. Das Projekt NanoCare steht somit für innovative Materialforschung mit hohem wissenschaftlichem und wirtschaftlichem Potenzial. IUTA ist mit folgenden Aufgaben in diesem Forschungsprojekt beteiligt: Untersuchung der mechanischen Stabilität von Agglomeraten aus Nanopartikeln Dazu werden Agglomerate durch mechanischen Stress belastet, beginnend mit der Teilung der Agglomerate in kleinere bis hin zur Zerlegung in Primärpartikeln. Die Untersuchungen haben das Ziel, festzustellen, welche Kräfte wirken müssen, um Agglomerate unterschiedlichster Nanopartikel in Aggregate oder Primärpartikel zu zerteilen. Die Ergebnisse bilden die Grundlage zur Festlegung von Maßnahmen für Sicherheit und Handhabung von beispielsweise pulvrigen Nanopartikeln. Modellierung des Verhaltens von Nanopartikeln unter Berücksichtigung der physikalischen Partikeldynamik im Nahbereich der Freisetzung Ziel der Modellrechnungen ist es, die Dynamik von Feinstpartikeln im Nahbereich einer Partikelquelle zu beschreiben und dabei insbesondere Agglomerations-, Nukleations- und Kondensati- 53

56 onsvorgänge, die eine Änderung der Partikelgrößenverteilung bewirken, zu berücksichtigen. Hierbei soll untersucht werden, ob es Bereiche möglicher Exposition mit maximaler Konzentration durch Nanopartikel gibt, die aufgrund schneller Agglomerationsprozesse entstehen, und wie schnell über Ausgleichs- und Strömungsvorgänge eine Verdünnung auf Umgebungskonzentration erfolgt. Messtechnik und Messmethoden zur Exposition Das Ziel dieses Arbeitspakets ist die Bestimmung der am besten geeigneten und anwendbaren Messmethoden und -geräte für Partikelanzahl und Partikelgrößenverteilung. Um die Auswirkungen der feucht-warmen Umgebung in der Lunge, die zur Vergrößerung hygroskopischer Partikel führt, auf den Depositionsort der Nanopartikel innerhalb der Lunge berechnen und beurteilen zu können, wird ein Versuchsstand entwickelt. Er besteht aus zwei DMA (differential mobility analyzer) mit dazwischen liegender Messtrecke. Über Trägergas und Begleitheizung sind Feuchte und Temperatur einstellbar womit die feucht-warme Umgebung innerhalb einer Lunge nachgestellt wird. Die Änderung der Partikelgröße durch Kondensation von Wasserdampf auf der Partikeloberfläche kann auf diese Weise bestimmt werden. Messungen der Raumexpositionen und Partikelcharakterisierung Mit den zuvor entwickelten Methoden sollen Expositionsmessungen am Arbeitsplatz während der Herstellung und Weiterverarbeitung von Nanopartikeln durchgeführt werden. Die Partikel sollen dann jeweils auch hinsichtlich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften charakterisiert werden, wozu Partikel auf Probenträgern gesammelt werden. Die Proben werden umfangreichen weitergehenden Untersuchungen unterzogen. Die Bestimmung von Art und Eigenschaften der Partikeloberflächen werden dabei im Vordergrund stehen. Das Forschungsvorhaben läuft bis Ende Februar 2009 und wird unter dem Förderkennzeichen 03X0021K gefördert durch: Ansprechpartner Dr. rer. nat. Thomas Kuhlbusch +49 (0) Dr.-Ing. Christof Asbach +49 (0) Dipl.-Phys. Burkhard Stahlmecke +49 (0) Dipl.-Ing. Heinz Kaminski +49 (0)

57 4.2.3 Validierung und Weiterentwicklung eines personengetragenen Thermalpräzipitators für die Messung ultrafeiner Partikel und deren Agglolmerate an Arbeitsplätzen Die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) hat einen Thermalpräzipitator in Form eines Personal Samplers (personengetragenes Partikelsammelgerät) entwickelt, welcher für arbeitsmedizinisch-epidemiologische Untersuchungen der Belastung durch Aerosolpartikel im Größenbereich von wenigen Nanometern bis zu einem Mikrometer dient. Die Aerosolpartikel werden im Thermalpräzipitator aufgrund von thermophoretischen Effekten auf Probenahmeträgern (z. B. Si- Scheiben) im Bereich eines Auswertestreifens abgeschieden. Der Auswertestreifen wird einer elektronenmikroskopischen Analyse unterzogen. Die digital erfassten Bilder werden mit geeigneter Software weiter ausgewertet. Dieser Thermalpräzipitator wurde von IUTA mit monodispersen Polystyrol (PSL) Partikeln verschiedener Größen, mit Dieselabgaspartikeln und atmosphärischem Umweltaerosol beaufschlagt und auf seine Leistungsfähigkeit hin überprüft. Abbildung 4.23: Thermalpräzipitatorkopf Abbildung 4.24: Aufgrund von Thermophorese abgeschiedene Partikel auf den Probeträgerscheiben (rechts) Dabei zeigten sich u. a. signifikante Abweichungen zwischen den mittels Auswertesoftware ermittelten Partikelgesamtkonzentrationen im Vergleich zu den mit einem SMPS zeitgleich ermittelten Gesamtkonzentrationen. Die aus dem Auswertestreifen ermittelten Konzentrationen zeigten bis zu % niedrigere Befunde. Bei lichtmikroskopischen Untersuchungen der Probenträger konnten sowohl Partikelablagerungen außerhalb der Auswertestreifen, insbesondere an den Strömungskanalrändern als auch an Stellen auf dem Träger, die nicht im Strömungsfeld lagen, festgestellt werden. Ursache für diese nicht beabsichtigte Dispersion könnte beispielsweise eine nicht optimale Strömungsführung und/oder eine Störung der Strömung durch das Temperaturfeld sein. Außerdem wiesen die Probenträger teilweise eine inhomogene Partikelbelegung auf. 55

58 Anzahlkonzentration [#/cm 3 ] bis 805 nm: TP 7.738*10 4 #/cm 3 SMPS 1.064*10 5 #/cm 3 SMPS TP # Äquivalentdurchmesser [nm] Abbildung 4.25: Beispiel der gemessenen Partikelgrößenverteilung mit dem SMPS (rot) und der Partikelgrößenverteilung der abgeschiedenen Partikel auf den Probeträgern Kritikpunkt ist weiterhin, dass der sehr niedrige Ansaugvolumenstrom des TP sehr lange Sammelzeiten erfordert. Auffällig war auch, dass in einigen Fällen die Probenahmeträger trotz langer Sammelzeiten eine so niedrige Belegung aufwiesen, so dass keine Auswertungen möglich waren. Diese Befunde sind Ausgangspunkt eines weiteren Projekts mit der BAuA für entsprechende Verbesserungen des Thermalpräzipitators. Das Projekt wurde gefördert durch: Ansprechpartner Dr. rer. nat. Thomas Kuhlbusch +49 (0) Dipl.-Ing. Heinz Kaminski +49 (0) Ermittlung des Beitrages von Reifen-, Kupplungs-, Brems- und Fahrbahnabrieb an den PM 10 -Emissionen von Straßen Die EG-Richtlinie 1999/30/EG setzt Grenzwerte für Immissions-Konzentrationen für die PM 10 - Partikelfraktion. Aufgrund der durch Messungen festgestellten Überschreitungen der Tagesgrenzwerte werden zurzeit Maßnahmepläne zur Reduzierung der Luftbelastung erstellt. Der Straßenverkehr liefert hierbei einen relevanten Teil zu den Überschreitungen. 56

59 Für die Quellenzuordnung hinsichtlich des Verkehrsbeitrages liegen in Deutschland nur Informationen für die Abgasemissionen und den Reifenabrieb vor. Studien zu den nicht abgasbedingten Emissionen zeigen eine Bandbreite von 20-80% Anteil an den Verkehremissionen. Diese Studien beruhen auf Messungen an Stadt- bzw. Landstraßen. Für Autobahnen besteht bezüglich der anzusetzenden Emissionsfaktoren eine Wissenslücke, die zu Unsicherheiten bezüglich der Bestimmung des Beitrages der PM 10 -Verkehrsemissionen an der PM 10 -Belastung führt. Das Gesamtziel des Vorhabens besteht in der Identifizierung und quantitativen Bestimmung von nicht abgasbedingten Verkehrsemissionen an Autobahnen und in der Bestimmung quantitativer Zusammenhänge zwischen Gesamtverkehr, Anteil des Schwerlastverkehrs, Straßenbelag etc. Dazu wurde ein Messquerschnitt an einer Straße mit Asphaltdecke festgelegt und LUV/LEE Messungen durchgeführt, dabei sollte die Hauptwindrichtung möglichst senkrecht zur Autobahnstraße ausgerichtet sein. Es werden sowohl die PM 10 -Fraktion als auch die PM 1 -Fraktion bestimmt. Die PM 1 -Fraktion hilft bei der Differenzierung der gemessenen Zusatzbelastung in abgasbedingte und nicht abgasbedingte Emissionen. Die Messungen erfolgen bei beiden Fraktionen kontinuierlich und zusätzlich in einem Messtakt von 1,5 Tagen gravimetrisch. Die kontinuierlich erhobenen Ergebnisse werden mit den gravimetrisch bestimmten abgeglichen. Zur Bestimmung der Verdünnungsfaktoren Emission/Immission wird parallel die NOx-Konzentration gemessen. Darüber hinaus erfolgt eine Messung der meteorologischen Parameter entsprechend der VDI- Richtlinie Die nicht abgasbedingten Emissionsfaktoren werden durch die analytische Bestimmung und Auswertung ausgewählter PM 10 -Inhaltsstoffe ermittelt. Die Ermittlung der Gesamtemissionsfaktoren in Abhängigkeit anderer, zeitlich variabler Parameter, wie z. B. Verkehrsaufkommen, Lkw-Anteil und Fahrzeuggeschwindigkeit, erfolgt anhand der kontinuierlichen PM 10 - Messdaten. Als Kriterien für die Auswahl des Messquerschnitts sollten gelten: möglichst unbeschränktes Geschwindigkeitsprofil DTV > Fahrzeuge/Tag Lkw- Anteil > 15% Hauptwindrichtung möglichst senkrecht zur Fahrbahn freie Anströmbarkeit Als Standort für die Durchführung der Messungen wurde der Rastplatz Goldene Meile auf der A61 bei Kilometer 177,5 gewählt, der die oben genannten Kriterien erfüllt (nach Datenbestand zum Beginn des Projektes). Für jede Fahrtrichtung steht ein Meßcontainer zur Verfügung. Das folgende Bild zeigt eine Luftaufnahme des Messstandorts mit Angabe der Standorte der nachfolgend erläuterten Messcontainer. 57

60 Abbildung 4.26: Luftaufnahme des Messstandorts (links) mit Container 1 FR Koblenz (rechts unten) und Container 2 FR Köln (rechts oben) Die Messcontainer sind mit folgenden Messgeräten ausgerüstet: Messgerät Aufgenommene Daten Rupprecht & Patashnik PM 1 online [µg/m³] TEOM 1400A PM 10 online [µg/m³] Riemer Messtechnik Digitel DHA 80 PM 1 gravimetrisch PM 10 gravimetrisch Wetterstation Campbell Scientific Windgeschwindigkeit [m/s] Windrichtung [ ] Regen [mm] Luftfeuchte [%] Lufttemperatur [ C] Luftdruck [hpa] Sonnenstrahlung [kw/m², MJ/m²] Monitorlabs, ML 9811 NO [ppb] NO 2 [ppb] NO x [ppb] Der LUV/LEE - Bereich wurde in einem Winkel von und festgelegt. Folgende Abbildung zeigt beispielhaft eine Windrose. 58

61 LEE LUV Abbildung 4.27: Beispiel einer Windrose des 1. Messabschnitts Die Verkehrsdaten werden vom Fachbereich "Physik von Transport und Verkehr" der Universität Duisburg-Essen zur Verfügung gestellt. Erste Ergebnisse des Projekts stehen ab 2007 zur Verfügung. Das Projekt wird gefördert durch das Bundesamt für Straßenwesen (BaSt) Ansprechpartner: Dr. rer. nat. Thomas Kuhlbusch +49 (0) Dr. rer. nat Ulrich Quaß +49 (0) Dr. rer. nat. Astrid John +49 (0) Dipl.-Ing. Jörg Lindermann +49 (0)

62 4.3 Filtration und Umweltverfahrenstechnik Filterprüfstand Im Straßenbereich sind die Verunreinigungen der Luft durch Partikel (insbesondere Reifenabrieb und Ruß) und gasförmige Stoffe besonders hoch. Kfz-Innenraumfilter dienen zur Reinigung der Außenluft, die der Fahrerkabine zugeführt wird, und somit dem Schutz der Insassen. Je nach Filtertyp werden nur Partikel oder zusätzlich noch Schadgase herausgefiltert. Die Abscheidung der Partikel erfolgt durch Filtration, die der Schadgase durch Adsorption an Aktivkohle, die zumeist als Granulat zwischen zwei Stütz- und Trageschichten eingebettet ist. Die Stützschichten fungieren gleichzeitig als Partikelfilter, sodass ein Kombinationsfilter verwirklicht ist. Zu Vergleichszwecken werden Kfz-Innenraumfilter von der Industrie nach DIN Luftfilter für Kraftfahrzeuginnenraum, Prüfverfahren für Partikelfiltration und Adsorptionsfiltration getestet. Danach wird bei Bedingungen von 23 C und 50 % relativer Feuchte gemessen. Die Abmaße des Prüfstandes, die Prüfgase und ihre einzustellenden Rohgaskonzentrationen sind vorgegeben. Die realen Einsatzbedingungen von Kfz-Innenraumfiltern sind jedoch gekennzeichnet durch dynamische Änderungen der Temperatur und der relativen Luftfeuchte. Insbesondere der adsorptive Reinigungsprozess wird dadurch beeinflusst. So ist es möglich, dass zuvor adsorbierte Schadgase wieder freigesetzt werden (Desorption). Damit ist ein Teil der Schutzwirkung der Filter in Frage gestellt. Abbildung 4.28: Foto des Filterprüfstands 60

63 Um das dynamische Adsorptionsverhalten von Kfz-Innenraumfiltern bei variierender Temperatur, relativer Luftfeuchte und Eingangskonzentration untersuchen zu können, wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Duisburg-Essen ein Filterprüfstand aufgebaut (siehe Abbildung 4.28 und Abbildung 4.29), der über die Anforderungen nach DIN weit hinaus geht. Durch umfangreiche klimatechnische Komponenten können Luftzustände mit Temperaturen von bis zu 100 C und relativen Luftfeuchten von bis zu 95 % eingestellt werden. Der Versuchsstand ist damit unabhängig von den Zustandsbedingungen der Umgebung. Das gilt auch für den Test unter Normbedingungen von 23 C und 50 % rel. Feuchte, die unabhängig von Wetter- und Klima über das ganze Jahr hinweg eingehalten werden können. Für Filtertests im Auftrag der Industrie ist die Einhaltung der nach DIN vorgegebenen Klimabedingungen sehr wichtig, weil schon geringe Schwankungen von Temperatur oder relativer Luftfeuchte einen starken Einflusses auf das Durchbruchsverhalten ausüben und zu einer fehlerhaften Bewertung von Filtern führen. Abbildung 4.29: Skizze des Filterprüfstandes Als Testgase, die der Luft zugemischt werden, werden standardmäßig n-butan, Toluol und Schwefeldioxid eingesetzt. Von aktuellem Interesse sind weiterhin Stickoxide und Ozon. Zur Bestimmung der Gaskonzentrationen der organischen Verbindungen werden Flammenionisationsdetektoren (FID) eingesetzt. Durch eine Erweiterung des Messbereiches können mit dem Reingas-FID Konzentrationen bis ca. 0,5 ppm einwandfrei erfasst werden. Zur Messung von Schwefeldioxid steht ein UV-Fluoreszenzanalysator zur Verfügung. Dabei handelt es sich um ein Immissionsmessgerät, dessen Nachweisgrenze bei 0,4 ppb liegt. Das Messgerät zur Bestimmung der Konzentrationen der Stickoxide NO/NO x basiert auf dem Chemilumineszenz-Prinzip. Seine Nachweisgrenze liegt unter 1 ppb. Die Nachweisgrenze des Ozon-Monitors, der nach dem UV-Absorptionsprinzip arbeitet, liegt ebenfalls unter 1 ppb. 61

64 Das dynamische Adsorptionsverhalten von Kfz-Innenraumfiltern unter realen Bedingungen ist ein Feld, auf dem noch erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht. In Kooperation zwischen IUTA, dem Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik der Universität Duisburg-Essen und dem Institut für Verfahrenstechnik /Thermische Verfahrenstechnik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg wurde diese Thematik in dem AiF-Forschungs-Projekt (FV-Nr ) aufgegriffen. Das Projekt Untersuchung des dynamischen Adsorptionsverhaltens von Dünnschichtfiltern am Beispiel der Kfz-Innenraumfilter wurde Ende 2005 abgeschlossen. Wesentliche Ergebnisse betreffen Filteruntersuchungen, die unter realitätsnahen Bedingungen durchgeführt wurden. Dazu zählen Durchbruchskurven bei unterschiedlichen Temperaturen, rel. Feuchten und Konzentrationen im ppm- Bereich, Adsorptionsgleichgewichte binärer Gemische sowie die modellmäßige mathematische Beschreibung des dynamischen Adsorptionsprozesses. Aktuelle Fragestellungen zu der Thematik sowie das Interesse der Industrie führten zu dem Folgeprojekt Untersuchung der adsorptiven Abscheidung von Gerüchen, Stickoxiden, Ozon und Mehrkomponentengemischen an Kfz- Innenraumfiltern, das seit August 2006 bearbeitet wird. Im Bereich der Feststofffiltration spielt die rel. Feuchte keine direkte Rolle, jedoch beeinflusst der Feuchtegehalt die elektrostatische Ladung der Prüfpartikeln und der Filterfasern. Die zusätzlichen elektrischen Kräfte verursachen ein abweichendes Filtrationsverhalten bei unterschiedlichen Feuchten. Dieser Einfluss kann einen Kfz-Innenraumfilter im Test extrem aufwerten oder sehr schlecht aussehen lassen. Um hier eine Vereinheitlichung auch bei unterschiedlichen Prüflaboren zu erreichen, werden die Abläufe von der Partikeldispersion bis zur Deposition auf den Fasern untersucht. Es wurde ein Gerät entwickelt, das durch Luftionisation mithilfe einer Hochspannungsentladung das Partikelkollektiv entlädt. Entsprechende Forschungsarbeiten werden im Rahmen des ebenfalls von der AiF geförderten Projektes Entwicklung eines standardisierten Verfahrens zur Erzeugung eines Prüfaerosols mit definierten Ladungseigenschaften für die Filterprüfung (FV-Nr N) bis Mai 2007 durchgeführt Filterprüfungen mit Dieselabgas am Geruchsfilterprüfstand im IUTA Das Leistungsspektrum des Geruchsfilterprüfstandes (Abbildung 4.30) sowie der Aufbau und die Funktionsweise wurden bereits im Tätigkeitsbericht 2005 auf den Seiten 50 bis 53 beschrieben. In diesem Beitrag sind ebenfalls die konditionierten Arbeitsbereiche des Geruchsfilterprüfstandes und die Messgeräte zur Geruchsmessung aufgeführt. 62

65 Abbildung 4.30: Geruchsfilterprüfstand im IUTA Im Jahr 2006 wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes bei unterschiedlichen Volumenströmen die homogene Gas- und Partikelverteilung über die gesamte Anströmfläche des Filters mittels numerischen Strömungsberechnungen (Abbildung 4.31) bestätigt. m/s 150 m³/h 1,47 m Geschwindigkeitsprofile in der Anströmung: Eintritt 0,1 m 0,2 m 0,3 m 0,4 m 0,5 m 0,6 m 0,7 m Filteranströmgeschwindigkeit : 0,77 m/s Abbildung 4.31: Geschwindigkeitsprofile für einen Volumenstrom von 150 m³/h und einem Filterquerschnitt von 32 cm x 17 cm Mihilfe eines Referenzolfaktometers wurde ein olfaktorisches Panel unter Berücksichtigung der DIN EN aufgebaut. Das Labor und die Prüfer sind nach DIN EN für olfaktorische Messungen freigegeben, da die Qualitätskriterien der europäischen Norm erfüllt werden: Prüfer: n-butanol: 62 GS 246 µg/m³ (DIN EN 13725) Standardabweichung: 2,3 (DIN EN 13725) Labor: Genauigkeit: IUTA ( A od = 0,179 ); DIN EN ( A od 0,217 ) Wiederholpräzision: IUTA ( r = 0,409); DIN EN ( r 0,477 ) 63

66 Die Methodenentwicklung zur Konditionierung der zu prüfenden Kfz-Innenraumfilter wurde abgeschlossen. Der komplette Echtzeitverlauf des Konditionierungsvorgang (Trocknung, Vor- und Endkonditionierung) ist in Abbildung 4.32 dargestellt. Abbildung 4.32: Konditionierung der Filterprüflinge Die Probenahme zur Olfaktometrie des Dieselabgases erfolgte mithilfe eines Unterdruckprobenehmers (Abbildung 4.33), wobei ein Gasvolumen von ca. 15 Liter innerhalb von 60 Sekunden durch einen PTFE-Schlauch (d = 6 mm; Länge = 1,5 m) direkt in einen Nalophan-Beutel (V = 15 l) strömt. Abbildung 4.33: Probenehmer, Referenzgeruchsstoff n-butanol, Nalophanbeutel Um den zeitlichen Verlauf der Geruchsabscheidung über einen Kfz-Innenraumfilter festzustellen, wurden die Filtertypen 01 und 02 über 60 min mit der Beutelmethode beprobt. Die Probenahmezeiten betrugen 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30, und 60 min. Eine Übersicht der Filterwirkungsgrade ist in Abbildung 4.34 dargestellt. 64

67 odor reduction with an cabin air gasfilter type 01 odor reduction with an cabin air gasfilter type 02 71,0 80,5 filter efficiency [%] 70,0 69,0 68,0 67,0 66,0 65,0 64,0 63,0 62, point of sampling time [min] filter efficiency [%] 80,0 79,5 79,0 78,5 78,0 77,5 77,0 76, point of sampling time [min] Abbildung 4.34: Filterwirkungsgrad (Typ 01) im Langzeitversuch Abbildung 4.35: Filterwirkungsgrad (Typ 02) im Langzeitversuch Der Filtertyp 02 wurde in gleicher Weise überprüft (Abbildung 4.35). In beiden Fällen war über die Beobachtungsdauer von 60 Minuten keine signifikante Veränderung des Geruchsabscheidegrades zu erkennen. Fazit: Reales Dieselabgas kann reproduzierbar in einen Prüfstand eingespeist und unter konditionierten Bedingungen als Prüfgas zur Messung der Geruchsabscheideleistung eingesetzt werden. Damit ist unter standardisierten Prüfbedingungen die Bewertung von Filtersystemen zur Geruchsminderung möglich. Mit dem IUTA-Geruchsfilterprüfstand steht der Industrie und insbesondere KMU ohne eigene Prüfkapazitäten die erforderliche F&E-Einrichtung für die Entwicklung neuer Filter zur Verfügung. Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi unter dem Förderkennzeichen 0406U07 gefördert. Ansprechpartner Dipl.- Chem. Hartmut Finger +49 (0)

68 4.4 Produktionsintegrierter Umweltschutz (PIUS) Entstaubung und Optimierung der katalytischen Emissionsminderung von Rauchgasen aus holzbetriebenen Klein- und Kleinstfeuerungsanlagen Mit Unterstützung der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg wurde am 1. April 2006 das Vorhaben zur Entwicklung eines Verfahrens begonnen, das gasförmige und feste Emissionen aus den Rauchgasen holzbetriebener Kleinfeuerungsanlagen mindert. Es ist bekannt, dass ca. 90% der aus privaten Feuerungsanlagen emittierten Staub-, Kohlenmonoxid- (CO) und Kohlenwasserstoffmengen aus der Holzverbrennung resultieren. Wegen steigender bzw. gleich bleibender hoher Öl- und Gaspreise ist zudem mit einer Zunahme dieser Feuerungsstellen und damit auch der Emissionen zu rechnen. Ein von IUTA entwickeltes katalytisches Abgasreinigungssystem basiert auf einem Trägerkatalysator, dessen Grundgerüst aus gereinigten Edelstahlspänen besteht, die bei der spanenden Metallbearbeitung in Metall verarbeitenden Betrieben als Produktionsrückstände anfallen. Diese Späne werden durch Belegung mit Palladium zu Oxidationskatalysatoren aufgebaut, die für eine effektive Umsetzung von Schadstoffen (Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid) zu ungiftigem Kohlendioxid und Wasserdampf eingesetzt werden können. In der ersten Phase des Projektes wurde die Beheizung des Katalysators realisiert, um seine Betriebsbereitschaft mit Beginn der Feuerung sicherzustellen. Parallel dazu wurde mit Versuchen zur thermoelektrischen Abscheidung von Feinstaub begonnen. Neben der sofortigen Betriebsbereitschaft des Katalysators wird durch die Beheizung eine Verbesserung während der Anfeuerung erzielt. Bei den früheren Versuchen musste die Katalysatorlinse in der Anfangsphase der Verbrennung in den so genannten Bypass-Betrieb gestellt werden, um bei gegebenem Kaminzug noch einen genügend hohen Zug an der Feuerstätte zu gewährleisten. Mit der nun integrierten Beheizung und der damit erzielten Temperaturerhöhung vermindert sich die Gasdichte. Mit dem idealen Gasgesetz lässt sich für eine Temperatur von 20 C eine Dichte von 1,153 kg/m³ abschätzen. Für 350 C liegt sie bei 0,530 kg/m³. Dieser hohe Dichteunterschied führt zu einer starken Verbesserung des Zugs im Kamin. Für die elektrische Beheizung der Katalysatorschicht wurde eine handelsübliche 120 W-Heizpatrone ausgewählt. Das Heizelement wurde radial in die Katalysatorlinse eingebaut. Bei Temperaturmessungen über einen Feuerungszeitraum von jeweils ca. 30 Minuten zeigte sich, dass etwa 3 Minuten ab Feuerungsbeginn die Temperatur in der Mitte der Katalysatorschüttung oberhalb der angestrebten Temperatur von 350 C lag. Die Grundlage des im Rahmen des Projekts neu entwickelten thermoelektrischen Entstaubungsverfahrens wird durch den Seebeck-Effekt beschrieben. In einem Metallstab, der durch Temperaturunterschied zwischen den Enden einen Temperaturgradienten aufweist, stellt sich ein Wärmestrom von warm nach kalt ein. An den Enden des Metallstabs lässt sich eine elektrische Spannung abgreifen, die bei elektrischer Verbindung einen Stromfluss bewirkt. Bei der Berührung von elektrischen Leitern unterschiedlicher Metalle entsteht aufgrund un- 66

69 terschiedlicher Bewegungsenergie der freien Elektronen ein Austausch, der zu einer Spannung führt: Thermospannung. Bei einem aus zwei verschiedenen Metallen bestehenden Leiterkreis, an dessen Verbindungsstellen eine Temperaturdifferenz besteht, entsteht eine elektromotorische Kraft, die das Fließen elektrischen Stroms hervorruft. Neben der Größe der Temperaturdifferenz wird der sich einstellende Strom von der Stellung der kombinierten Metalle in der thermoelektrischen Spannungsreihe bestimmt. In den Versuchsaufbauten zeigte sich eine starke Abscheidung von Ruß und Staub, wenn die Katalysatorlinse mit einem Gitter belegt wurde, das aus anderem Metall bestand. Obwohl der Effekt noch einer eingehenden Klärung bedarf, hat sich für die Staubabscheidung ein so genanntes Abscheidegitter aus Metall als zweckdienlich erwiesen, das mit einem weiteren Ring aus einem weiteren Metall verlötet oder verschweißt wird. Diese Entstaubungseinheit wird in das Kaminrohr nach der Feuerstätte installiert. Zur Klärung, ob die Rußabscheidung tatsächlich vom Fliessen des elektrischen Stromes abhängt oder durch ein gewöhnliches Aufwachsen am Gitter infolge mechanischer Effekte, wurden unterschiedliche Versuche durchgeführt. Zunächst wurde einheitliches Metall verwendet und der Stromfluss über eine externe Stromversorgung erzeugt. Bei einer Spannung von 8,5 V floss ein Strom von 4,7 A durch das Gitter. Derselbe Versuch wurde zum Vergleich strom- bzw. spannungslos durchgeführt. Die beiden nachfolgenden Abbildungen zeigen die verwendeten Abscheidegitter nach den Versuchen. Im Falle des stromdurchflossenen Gitters erfolgte eine starke Partikelabscheidung, wohingegen ohne Stromfluss lediglich eine leichte Schwärzung des Metalls durch Ruß auftrat. Diese Versuche wurden unter vergleichbaren Bedingungen durchgeführt, wobei die Feuerung unterstöchiometrisch betrieben wurde, um eine möglichst hohe Rußbildung zu erhalten. Abbildung 4.36: Rußabscheidung an einem Abscheidegitter ohne Kombination mit einem anderen Metall, aber unter Stromfluss durch ein externes Netzteil Abbildung 4.37: Gleiches Abscheidegitter wie in Abbildung 4.36, ohne Kombination mit einem weiteren Metall, aber ohne externen Stromfluss Wegen des daraus resultierenden Hinweises auf thermoelektrische Effekte wurden in weiteren Versuchen Gitteranordnungen aus unterschiedlichen Materialkombinationen getestet. 67

70 Untersucht wurde die Kombination aus Kupfer mit Konstantan und mit Edelstahl, sowohl als Zweials auch als Dreikomponentensystem. Diese Metalle eignen sich aufgrund ihrer Stellung in der thermoelektrischen Spannungsreihe und aus preislicher Sicht für eine mögliche spätere Markteinführung. In Abbildung 4.38 bis Abbildung 4.41 sind Beispiele mit besonders effektiven Anordnungen dargestellt. Bei diesen Versuchen wurde auf die Einhaltung möglichst gleicher Bedingungen geachtet; es wurden jeweils 7 kg Holz innerhalb einer 1 Stunde unter gleichen Zuluftverhältnissen verbrannt, wobei aber teilweise die Abreinigung so gut war, dass die Gitter durch Staub und Ruß vollständig zuwuchsen und keine Feuerung mehr aufrecht erhalten werden konnte. Als besonders zweckmäßig erachten wir Anordnungen mit Edelstahlgitter und kreisrundem Kupferrohr als Außenring, die vielfach punktförmig verschweißt sind. Bei einem weiteren Versuch wurden an der Unterseite des Abscheideeinsatzes fünf Konstantandrähte einer Stärke von 1,5 mm zusätzlich mit dem Kupferrohr verschweißt. Das brachte eine weitere Verbesserung der Abscheidung. Abbildung 4.38: Versuch 24; Oberseite Gitter vor Versuchsbeginn Abbildung 4.39: Oberseite Gitter nach Versuch, Staubabscheidung 0,68 g Als nächster Schritt wurden Kombinationen aus katalytischer Emissionsminderung und thermoelektrischer Rußabscheidung getestet. Abbildung 4.39 zeigt die Kartusche in der Draufsicht nach einem Feuerungsversuch. Die während des Versuchs oben aufliegende Katalysatormasse wurde vor der Aufnahme entfernt. Bei diesen Versuchen wurde die Nennwärmeleistung des Ofens von 4 kw eingehalten. Dadurch entsteht weniger Ruß und die Nachverbrennung ist besser. 68

71 Abbildung 4.40: Versuch 26; Oberseite Gitter nach Versuchsende, Staubabscheidung 1,43g Abbildung 4.41: Draufsicht Katalysatorkartusche nach Versuchsende, Betrieb des Ofens bei Nennwärmeleistung; obere Katalysatorschicht entfernt. Erste Betriebsmessungen zur Ermittlung der Staubabscheidung ergaben bei der Kopplung aus Katalyse und Entstaubung Staubabscheideraten bis zu 96 % (von 660 mg/m 3 auf 25 mg/m 3 ). Damit ist die grundsätzliche Machbarkeit einer Abgasreinigung für Kaminöfen bestätigt und es kann dazu übergegangen werden, die konstruktiven Einzelheiten für ein praxistaugliches System zu klären. Auf dieser Basis neu entwickelte Einheiten werden eingehend getestet, wobei ausführliche Messungen auch Gasanalysen einschließen. Über die Praxistauglichkeit des neu entwickelten Abgasreinigungssystems wird ein Feldversuch in drei Privathaushalten für die Dauer einer Heizperiode entscheiden. Das Forschungsvorhaben mit der Bezeichnung B.-Nr. 31/Neis wird vom Landesumweltamt Baden Württemberg gefördert. Ansprechpartner Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. F. Grüning +49 (0)

72 4.4.2 Verwertung von Altbeizsäuren bei der Aufbereitung von Composite-Verpackungen Composite- Verpackungen, besser bekannt unter den Handelsnamen TetraPak, Combibloc und Elopak, bestehen aus Verbunden von Papier, Polyethylen(PE) und Aluminium (Al). Ihr Anfall bei den Sammlungen im Dualen System Deutschland (DSD) betrug im Jahr 2004 in Deutschland Tonnen. Die stoffliche Verwertung der Zellstoffbestandteile erfolgt bisher durch die Papierindustrie, eine energetische sowie stoffliche Aufarbeitung des PE/Al- Verbundes findet durch Zementwerke statt. Verbrauchte Mono- und Mischbeizsäuren sowie für das Vorhaben auch einsetzbare metallhaltige Salzlösungen fallen in Galvanik- und Metallverarbeitungsbetrieben an. Die Entsorgung dieser Altbeizen geschieht durch Neutralisation bzw. Ausfällung der Metallsalze, was im Jahr 2004 in Deutschland zu einer Menge von ca Tonnen an Galvanikschlämmen führte. Hiervon werden ca. 30 % in pyrometallurgischen Verfahren verwertet, der überwiegende Anteil wird ungenutzt entsorgt. Ziel des von der AiF unter dem Kennzeichen NN 04302/04 geförderten Projektes, das gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) bearbeitet wird, ist die Zusammenführung der beiden Abfallströme Composite- Verpackungen und Altbeizen unter stofflicher Gewinnung von PE-Folie, Zellstoff und Aluminiumhydroxid sowie Metallen. Unter den Metallen soll in erster Linie Kupfer, aber auch Zink, Eisen, Nickel und Zinn in möglichst reiner Form wieder dem Wirtschaftskreislauf zugeführt werden. Neben den mechanischen Operationen zur Auftrennung der Composite- Verpackungen in Zellstoff und PE/Al-Verbund besteht die grundlegende chemische Umsetzung in der Zementation von Kupfer durch Aluminium. Dies ist eine einfache Redoxreaktion von metallischem Aluminium des PE/Al- Verbundes mit Kupferionen der Altbeizsäure, die gemäß Gleichung (1) abläuft. 2 Al + 3 Cu 2+ 2 Al Cu (1) Unter den herrschenden sauren Bedingungen ist als Konkurrenzreaktion die durch Gleichung (2) beschriebene Bildung von Wasserstoff zu berücksichtigen. Al + 3 H 3 O + Al H 2 O + 3/2 H 2 (2) Weiterhin wirkt der Zementation die Eigenschaft metallischen Aluminiums entgegen, sich durch Bildung einer Oxidschicht zu passivieren (Gleichung (3)). 2 Al + 3 H 2 O 3 H 2 + Al 2 O 3 (3) Außer den chemischen Gegebenheiten sind vor Beginn der ersten Versuche auch thermodynamische Aspekte für den Ablauf der Kupferzementation betrachtet worden. Die Berechnung der Freien Reaktionsenthalpie G führte über den Temperaturbereich von C zu Werten von kj/mol bis kj/mol. Es handelt sich also um eine in hohem Maß freiwillig ablaufende Reaktion. Um Aussagen darüber zu erhalten, wie hoch der Restgehalt von in Lösung verbleibenden Kupferionen sein könnte, ist über die Nernst-Gleichung ein lg K- Wert von 203 für das Konzentrationsver- 70

73 hältnis [Al 3+ ] / [Cu 2+ ] errechnet worden, d. h. die sich nach Gleichgewichtseinstellung ergebende Kupferionenkonzentration ist so gering, dass sie auch spurenanalytisch nicht nachweisbar sein sollte. Abbildung 4.42: Mischung einer 15%-igen Schwefelsäure mit einer Kupferionenkonzentration von 13 g/l und Aluminiumpulver Abbildung 4.43: Reaktionsfortschritt nach ca. 90 Minuten Die ersten Versuche wurden mit Reinsubstanzen durchgeführt, um gegebenenfalls auftretende Störungen durch Begleitstoffe zunächst auszuschließen. Als Modellsubstanz für eine Altbeizsäure wurde 15%-ige Schwefelsäure mit einem Kupfergehalt von 13 g/l eingesetzt und die verwendete Menge an Aluminiumpulver so berechnet, dass eine vollständige Abreaktion der Säureprotonen zu Wasserstoff stattfinden kann. Abbildung 4.42 und Abbildung 4.43 geben den Ablauf der Reaktion wieder. Eine unbefriedigende Ausbeute an metallischem Kupfer führte zu der Annahme, dass die Passivierung des Aluminiums gemäß Reaktion (3) unbedingt zu berücksichtigen ist, um einen stöchiometrischen Umsatz der Zementation sicherzustellen. Zur Ablösung der passivierenden Oxidschicht kann der Zusatz von Chloridionen dienen, die gemäß Al 2 O Cl H 2 O 2 Al(OH) 2 Cl + 2 OH - (4) reagieren. Der gebildete Aluminiumhydroxichlorid-Neutralkomplex ist wasserlöslich, sodass die metallische Aluminiumoberfläche für Reaktionen wieder zur Verfügung steht. 71

74 Abbildung 4.44: Versuchsansatz wie bei den Abbildung 4.42 Abbildung 4.43, aber mit kurz zuvor erfolgter Chloridzugabe Abbildung 4.45: Ca. 45 Minuten nach der Chloridzugabe Abbildung 4.44 und Abbildung 4.45 zeigen die Wirkung einer geeigneten Menge an Chloridionen unter sonst gleichen Versuchsbedingungen. Die durchgeführten thermodynamischen Berechnungen zeigen, dass die gewünschte Zementation von Kupfer thermodynamisch vollständig erfolgt. Die Modellversuche mit Reinsubstanzen verliefen Erfolg versprechend, wenn die passivierende Oxidschicht des Alumiums reaktiv entfernt wurde. In den nächsten Arbeitsschritten erfolgen weitere Laborversuche mit Reinsubstanzen und tatsächlich anfallenden Abfallstoffen. Neben diesen Untersuchungen zur Metallzementation werden Experimente zur Ausfällung und Separierung der Aluminiumionen zu Aluminiumhydroxid durchgeführt. Am Ende sollen Bilanzierungen zur Wirtschaftlichkeit und Auslegung einer Aufarbeitungsanlage erstellt werden. Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen AiF N/1 gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. F. Grüning +49 (0)

75 4.4.3 Entwicklung und Erprobung einer katalytisch spaltenden Hydrierung und katalytischen partiellen Oxidation zur Aufbereitung teerhaltiger Brenngase aus der Biomassevergasung Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine einfache und effiziente Aufbereitung des Brenngases aus Biomassevergasern auf der Grundlage katalytischer Verfahren bereitzustellen. In Folge unvollständiger Vergasung enthält dieses Brenngas üblicherweise einen signifikanten Anteil an höhermolekularen Kohlenwasserstoffen (Teere). Bei der motorischen Nutzung solchen Brenngases in Blockheizkraftwerken kondensieren diese Kohlenwasserstoffe bei Abkühlung und führen, insbesondere in Verbindung mit im Gasstrom ebenfalls vorhandenen Partikeln, zu Problemen in den Zuleitungen und im Motor (z. B. Ventile, Kolben, Turbolader). Die vielen unterschiedlichen Produktgase und Betriebsbedingungen der Festbettvergasungsverfahren bedingen die zielgerichtete Entwicklung von Gasreinigungsverfahren, die an den jeweiligen Vergasertyp angepasst sind. Diese Aufgabe stellen sich in einer Arbeitsteilung das IUTA und der Projektpartner Technische Universität Dresden (TUD). An der Gleichstromvergasungsanlage der TUD bildet das Verfahren der katalytischen partiellen Oxidation die Entwicklungsgrundlage. Die F&E-Arbeiten des IUTA beziehen sich auf die Entwicklung eines katalytisch spaltenden Hydrierverfahrens, bei dem die höhermolekularen Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Wasserstoff "gecrackt" und abgesättigt werden. Dieses Verfahren eignet sich - überschlägigen Berechnungen zufolge insbesondere für die Produktgase aus Gegenstromvergasern, die sich durch einen hohen Teer- sowie niedrigen Staubanteil und relativ geringe Austrittstemperaturen charakterisieren lassen. Erste orientierende Untersuchungen orientieren sich an einem von IUTA für verwandte industrielle Anwendungen hergestellten Katalysator. Die theoretischen Betrachtungen hinsichtlich der thermodynamischen Gleichgewichte und der Reaktionskinetik führten zur Fertigung eines ersten Prototyps des Hydrierkatalysators. Auf der Grundlage von Betriebsdaten des IUTA - Gegenstromvergasers sowie Versuchs- und Messergebnissen, die mit diesem Katalysator gewonnen wurden, erfolgte die konstruktive Auslegung einer neuen Gasreinigungsanlage. Sie besteht aus zwei alternierend betriebenen Katalysatorsystemen mit einer Vorrichtung zur wechselweisen Abreinigung und Regenerierung der Katalysatoren. An dieser Versuchsanlage werden seit 2006 Untersuchungen zur Ermittlung optimaler Betriebsparameter zur Gasreinigung (Gasgeschwindigkeiten, Temperaturverläufe, Umschaltzyklen etc.) sowie zur Weiterentwicklung des Katalysators bezüglich der erzielbaren Umsetzungsgrade und Standzeiten durchgeführt. 73

76 Abbildung 4.46: Teerprobenahme an der entwickelten Gasreinigungsanlage während eines Versuchslaufs Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen AiF gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e. V. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Ing. Andrew Berry +49 (0) Entwicklung, Bau und Erprobung eines Reformers zur dynamischen Brenngaserzeugung aus Erdgas für Polymermembran-Brennstoffzellen (PEMFC) zum Einsatz in der Hausenergieversorgung Erste Brennstoffzellenanlagen im Bereich der Hausenergieversorgung befinden sich zurzeit in der Testphase. Der Wasserstoff, der als Brennstoff für die Brennstoffzellen dient, muss durch vorgeschaltete verfahrenstechnische Prozesse erzeugt werden. Die bisher dafür eingesetzten Systeme reagieren auf schnelle Lastwechsel zu träge, sodass das hohe Potenzial der PEMFC in Bezug auf die Dynamik der Leistungsabgabe stark eingeschränkt wird. Als Gründe für die unbefriedigende Dynamik der zurzeit eingesetzten Reformer sind vor allem die niedrige Effizienz der Wärmeeinkopplung der externen Brennersysteme in den Reaktorraum und die unzulängliche Wärmeverteilung im eingesetzten Katalysatorsystem zu nennen. 74

77 Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung des Betriebsverhaltens von Reformersystemen zur Aufbereitung von Wasserstoff aus Erdgas im Hinblick auf die Leistungsanforderung von PEM-Brennstoffzellen, insbesondere bei Anfahrvorgängen und bei Lastwechseln. Dazu muss die Dynamik des Reformers bezüglich der Bereitstellung des Brenngases für die PEMFC gesteigert werden. Der Einsatz innovativer Katalysatoren mit Substraten aus zellularen metallischen Werkstoffen ("Metallschäume"), die Integration eines innovativen, kompakten Brennersystems (Porenbrenner) und der Aufbau aus sequentiellen Abschnittsreaktoren soll das möglich machen. IUTA, der Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen - LSTM sowie der Lehrstuhl Technik der Energieversorgung und Energieanlagen TEE bearbeiten seit November 2004 dieses Gemeinschaftsprojekt. Mit Stand November 2006 sind die im Rahmen der Projektbearbeitung vorgesehenen Entwicklungsarbeiten bezüglich des Katalysatorsystems weitestgehend abgeschlossen. Der neue Katalysator wurde auf der Grundlage eingehender labortechnischer Untersuchungen der Substrateigenschaften, experimenteller Untersuchungen zur Bestimmung geeigneter Beschichtungsparameter für eine hohe katalytische Aktivität sowie umfangreicher Katalysatorscreenings entwickelt. Die Matrix der zu untersuchenden Proben wurde aus vier stofflich unterschiedlich aufgebauten Metallschäumen (Ni-, CrNi-, CrNiAl-Schäume sowie ein verstärkter CrNi-Schaum) mit je drei unterschiedlichen Porengrößenbereichen (17-23, und ppi pores per inch) gebildet, die mit 0,5 bis 10 Gew.-% Nickel (Auflösung ca. 1 Gew.-%) elektrochemisch beschichtet wurden. In ausgewählten Fällen erfolgte zudem eine zusätzliche Dotierung mit Ruthenium. Darüber hinaus wurden zu Vergleichszwecken weitere Katalysatormuster auf nasschemischem Wege hergestellt und vermessen. Der Prototyp des neu entwickelten Katalysatorsystems besteht aus einem Nickel-Chrom- Metallschaumsubstrat mit einer durchschnittlichen Porendichte von ppi, auf dem mit einem in Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut für Edelmetalle- und Metallchemie FEM e. V. entwickelten, elektrochemischen Beschichtungsverfahren, eine definierte Menge (ca. 4 Gew.-%) Nickel so abgeschieden wird, dass eine möglichst hohe Anzahl an Fehlstellen und Gefügeanomalien auf dem Substrat entsteht, die als katalytisch aktive Zentren wirken. Nach Untersuchungen am IUTA, die an unbeschichteten Ni-Cr-Metallschäumen vorgenommen wurden, trägt neben den dispers aufgetragenen, metallischen Nickel-Partikeln auch die nickelhaltige Metallschaummatrix selbst zur hohen Aktivität des Katalysators bei, die sich in einer schnellen Kinetik und dementsprechend hohen, realisierbaren Raumgeschwindigkeiten äußert. Dabei werden Wasserstoffausbeuten erzielt, die nahe beim thermodynamischen Gleichgewicht, das heißt, dem maximal erreichbaren Wert, liegen. Bei Raumgeschwindigkeiten von ca /h (zum Vergleich: herkömmliche Katalysatoren, die Nickel als aktive Substanz enthalten, werden bei Raumgeschwindigkeiten von ca /h betrieben) werden Umsätze von ca % erreicht. Die H2-Ausbeute beträgt dabei etwa %, die Konzentration des Wasserstoffs im Produktgas beläuft sich auf etwa Vol.-% und der Restmethangehalt im Produktgas beträgt maximal etwa 3 Vol.-%. Bei Leistungstests über einen Zeitraum von mehreren Stunden konnten unter den oben genannten Bedingungen keine Degradationserscheinungen des Katalysators festgestellt werden. Die Wasserstoffproduktion pro Zeiteinheit erwies sich in den bisher realisierbaren Testzeiträumen von bis zu 8 75

78 Stunden als konstant, teilweise wurde bei fortschreitender Einsatzdauer sogar eine geringfügige Zunahme des Wasserstoffanteils im Produktgas beobachtet. Neben der hohen Aktivität zeichnet sich das neue Katalysator-System durch einen sehr geringen Druckverlust und - bedingt durch den metallischen Träger - eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, wodurch sich insbesondere bei An- und Abfahrprozessen sowie bei Lastwechseln Vorteile durch die schnell in das System einzubringende Wärmeenergie ergeben. Des Weiteren ist der Katalysator äußerst robust und unempfindlich gegen eine sauerstoffhaltige Atmosphäre, was sich ebenfalls bei An- und Abfahrprozessen positiv bemerkbar macht. Die Einsparung von Systemkomponenten (z. B. Stickstoffversorgung) trägt zur Verringerung der Anlagenkomplexität bei. Über die ohnehin bereits guten Leistungsdaten hinaus ist insbesondere das Potenzial bemerkenswert, welches das Katalysatorsystem bei entsprechender Weiterentwicklung zu bieten scheint. Die bisherigen Untersuchungen haben ergeben, dass die Raumgeschwindigkeit ohne nennenswerte Einbußen hinsichtlich der erzielbaren Umsätze und Wasserstoffausbeuten bis in Bereiche von über /h gesteigert werden kann. Allerdings neigt das Katalysatorsystem bei Überlastung zu Rußbildung, was eine Belegung der aktiven Zentren des Katalysators durch Ablagerung von Rußpartikeln zur Folge hat und daraus resultierend zu einer Abnahme der Aktivität des Katalysators mit zunehmender Betriebszeit führt. Obwohl diese Deaktivierungseffekte reversibel sind und der niedergeschlagene Ruß jederzeit (auch im laufenden Betrieb) durch kurzzeitige Lufteindüsung abgebrannt werden kann, sind so hohe Raumgeschwindigkeiten im momentanen Entwicklungsstadium des Metallschaumkatalysators ohne zusätzlichen technischen Aufwand für eine in Intervallen erfolgende Abreinigung noch nicht realisierbar. Sofern es gelingt, durch weitere Forschungsanstrengungen die Rußbildung auch bei sehr hohen Raumgeschwindigkeiten zu unterdrücken, könnte das spezifische Katalysatorvolumen nochmals stark reduziert werden, woraus sich die Perspektive äußerst kompakt bauender Reformersysteme eröffnen würde. Für den in den Reformierreaktor zu integrierenden Porenbrenners wurde inzwischen der zweite Prototyp hergestellt, im Teststand erprobt und vermessen. Zurzeit werden die Arbeiten zur Integration und Erprobung des Porenbrenners im Reformersystem durchgeführt. Das bei der Antragstellung favorisierte Konzept eines zentral angeordneten zylindrischen Brenners, der vom Reaktionsraum des Reformers umgeben wird (Abbildung 4.47), konnte im Rahmen des Projektes realisiert werden. Diese Anordnung ermöglicht einen hohen Wärmeeintrag durch Strahlung und Leitung von der Brennzone in die Reformierzone. Darüber hinaus besteht bei dieser Anordnung die Möglichkeit, durch unterschiedliche Isolierstärken und ggf. Isoliermaterialien im Bereich der Verbrennungszone, den Wärmeeintrag an das axiale Wärmebedarfsprofil des Dampfreformers anzupassen. Abbildung 4.47: Kopplung des Reformers 76

79 Abbildung 4.48: Poröse Brennzone (SiC-Schaum) Abbildung 4.49: Brenner komplett Abbildung 4.50: Keramischer Mischer (Al2O3-Faserkeramik) Abbildung 4.51: Mischer eingebaut Die für das oben erläuterte Konzept erarbeitete Brennerkonstruktion ist in Abbildung 4.48 bis Abbildung 4.51 dargestellt. Die poröse Brennzone besteht aus einem SiC-Schaum mit 10 ppi (pores per inch) und einer Porosität von etwa 90 %. Diese poröse Brennzone hat eine Höhe von 100 mm und einen Durchmesser von 40 mm, womit sich bei Nennlast eine Flächenlast von etwa 1100 kw/m 2 ergibt. Diese Flächenlast ist für Porenbrenner gering, so dass gegebenenfalls der Brenner auch problemlos bei höheren Leistungen betrieben werden könnte. In Laborversuchen wurde der Brenner in einem Teststand mit den für reale Last- und Betriebszustände relevanten Brennstoffgemischzusammensetzungen beaufschlagt und hinsichtlich der relevanten Betriebsparameter charakterisiert. Das neue Brennersystem ist durch ein kompaktes Design, eine stabile Betriebsweise bei hoher Leistungsdichte und Modulationsfähigkeit sowie niedrigen Schadstoffemissionen gekennzeichnet. Zurzeit erfolgt die Erprobung des Porenbrenners im Demonstrationsmodell der Reformereinheit. Vom momentanen Stand der Entwicklungsarbeiten ausgehend, ist anzunehmen, dass die Projektziele bezüglich der Entwicklung des Porenbrennersys- 77

80 tems zum Einsatz in Reformern für Brennstoffzellenanwendungen vollständig erreicht werden können. Abbildung 4.52: Versuchsanlage mit Reaktor in Abschnittsbauweise für das Katalysatorscreening und die Bestimmung der optimalen Verfahrensparameter Abbildung 4.53: Metallschaumkatalysator, der mit der umgebenden Reaktorwand verlötet wurde Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Ing. Andrew Berry +49 (0) Einsatz eines Analysenverfahrens zur Erfassung mineralölstämmiger und biogener Kohlenwasserstoffe in Böden und Bodenersatzstoffen sowie zur Abschätzung ihres Wassergefährdungspotenzials Die quantitative Erfassung einer Kohlenwasserstoff-Kontamination in Böden und ähnlichen Probenmaterialien erfolgt mithilfe von Analysenverfahren (DIN ISO 16703, DIN EN 14039, H53 und LAGA KW/04), die einen Summenwert für biogene und anthropogene Belastungen liefern. Toxikologisch sind aber biogene und anthropogene Anteile grundsätzlich verschieden einzustufen. Die Kohlenwasserstoffe (KW) unterschiedlicher Herkunft und Struktur erfordern eine spezialisierte Analytik und eine differenzierte Bewertung. Die LAGA KW/04 verweist in einem separaten Kapitel erst- 78

81 mals zu weiterführenden Fragen auf biogene Kohlenwasserstoffe. Dabei wird die Dominanz von n- Alkanen ungeradzahliger Kettenlänge im Bereich von n-c 23 bis n-c 33 hervorgehoben. Ziel des im Jahr 2006 abgeschlossenen AiF-Forschungsvorhabens war die Weiterentwicklung und Übertragung der im AiF-Vorhaben 11606B zur quantitativen Bestimmung von MKW (mineralölstämmige KW) in Klärschlamm und Kompost entwickelten Analysenmethoden auf weitere Materialien, insbesondere Böden, Bodenersatzstoffe u.v.m., wobei zwischen MKW und einer die bisherige Analytik störenden Matrix aus biogenen Kohlenwasserstoffen unterschieden wird. Der analytisch wichtige Parameter Kohlenwasserstoffe kann damit in den ökotoxikologisch relevanten Anteil, MKW, und den ökotoxikologisch unbedenklichen Anteil, biogene Kohlenwasserstoffe, aufgetrennt werden. Ein weiteres Ziel war das Wassergefährdungspotenzial der verschiedenen KWe, die in Abhängigkeit ihrer Kettenlänge und speziellen Struktur eine merkliche Wasserlöslichkeit und Toxizität aufweisen können, zu bestimmen, um die Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens entsprechend den Praxisanforderungen der an der Nutzung interessierten Unternehmen sicherzustellen. Methodenentwicklung Aufbauend auf den Arbeiten des Vorläuferprojektes entwickelten die beiden Forschungsstellen (IUTA e.v. und IVUB e.v.) Methoden zur Auftrennung des KW-Indexes in biogene und mineralölstämmige Kohlenwasserstoffe. Beide Forschungsstellen nutzen dazu die Alternierung der n-alkane von C 23 bis C 33, wie sie für biogene KW typisch ist. Aufgrund der unterschiedlichen Probengruppen unterscheiden sich die Methoden beider Forschungsstellen geringfügig voneinander. Die IUTA- Methode ist für Proben mit geringer KW-Belastung (Hintergrundbelastung) entwickelt worden. Sie ist aufwändiger. Während bei der IVUB-Methode aus dem Chromatogramm zur Bestimmung des KW-Index die Peaks von n-c 28 bis n-c 31 direkt ausgewertet werden, ist bei der IUTA-Methode ein zusätzliches Clean-up und damit auch ein zusätzliches Chromatogramm notwendig. Des Weiteren werden die Peaks von n-c 14 bis n-c 31 ausgewertet, sodass auch geringe MKW-Kontaminationen, z. B. mit Dieselöl, erfassbar sind. Mithilfe dieser Methoden wurden Proben zur Bestimmung einer Hintergrundbelastung sowie belastete Proben aus verschiedenen Bereichen der biologischen Bodenreinigung, mit unterschiedlicher Belastung, aber auch zu verschiedenen Zeitpunkten des KW-Abbaus untersucht. Der KW-Index der Proben ohne spezifische KW-Kontamination (Hintergrundbelastung) liegt im Bereich von ca. 80 mg/kg bis 300 mg/kg TS, wobei nur bei den Proben aus den Überschwemmungsgebieten von Rhein und Ruhr erhebliche MKW-Anteile berechnet wurden. Die (belasteten) technischen Proben haben, wie erwartet, einen wesentlich höheren KW-Index zwischen 100 mg/kg und > 3000 mg/kg TS. Der MKW-Anteil schwankt je nach eingesetzter Methode (IUTA %; IVUB ca. 30 %). Diese Unterschiede resultieren sowohl aus den verschiedenen Methoden als auch aus Probeninhomogenitäten, die aufgrund der korngrößenabhängigen Eluate nicht beseitigt werden konnten. Wird allen belasteten Proben eine rein biogene Hintergrundbelastung von ca. 150 mg/kg unterstellt und diese vom KW-Index abgezogen, ergeben sich MKW-Anteile von %, sodass die Werte der IUTA-Methode in einer plausiblen Größenordnung liegen. Damit 79

82 erscheint die IUTA-Methode auch für belastete Proben geeignet und ist für die Separierung der Kohlenwasserstoffanteile zu empfehlen. Ergänzt wurde die Methodenentwicklung durch GC-MS-Untersuchungen. Dabei zeigten sich weitere deutliche Unterscheidungsmerkmale für biogene und mineralölstämmige KW in der Gruppe der pentacyclischen Triterpene. Vor allem für Proben mit fortgeschrittenem KW-Abbau - i. d. R. werden die n-alkane zuerst abgebaut, sodass die Anwendung der Methoden zur Separierung der KW- Anteile schwierig ist - bietet sich hier eine neue Möglichkeit, die Kohlenwasserstoffe zu unterscheiden. Allerdings sind derartige Analysen relativ aufwändig, so dass sie wahrscheinlich für den Routinebereich zu teuer und auch zu langwierig sein könnten. Hier wären weiterführende Untersuchungen sinnvoll. Elution Neben der Bestimmung des biogenen und mineralölstämmigen KW-Anteils in den Feststoffproben waren die Ermittlung der eluierbaren, insbesondere der löslichen Kohlenwasserstoffe und deren toxikologische Relevanz von besonderer Bedeutung. Dazu wurden verschiedene Elutionsverfahren eingesetzt. Die Elutionsverfahren gemäß DIN EN beruhen auf der bekannten Schütteltechnik gemäß DIN S4 und lieferten für alle belasteten Proben z. T. erhebliche KW-Belastungen im Eluat. Die Chromatogramme unterschieden sich kaum von denen der Feststoffextrakte, sodass bei diesem Verfahren aufgrund der wirkenden Scherkräfte neben den gelösten KW-Anteilen auch Emulsionen ausgetragen werden. Die Werte sind gemessen an den realen Vorgängen im Boden zu hoch. Die Eluate gemäß DIN V (Säulenelution von unten nach oben) lieferten selbst bei sehr geringen Fließgeschwindigkeiten des Wassers ähnlich überhöhte Werte. Alle Kohlenwasserstoffe im Bereich bis C 40 waren detektierbar. Die Chromatogramme ähnelten denen der Originalproben und der Eluate gemäß DIN EN Erst die Umkehrung der Flussrichtung und die Einführung einer zusätzlichen ungesättigten, belüfteten Bodenzone in die Säule zeigte die erwartete, bevorzugte Elution der kurzkettigen Kohlenwasserstoffe. Die zusätzliche Einführung eines Wetterprogramms (Regen- und Trockenphasen) ermöglichte die Annäherung an die realen Gegebenheiten). Die KW-Belastungen im Eluat sind z. T. um den Faktor 10 geringer als die Werte gemäß DIN EN Unter diesen Bedingungen wurden vor allem Verbindungen im Bereich von < C 22 bis zu < C 10 eluiert, die allerdings ein höheres toxisches Potenzial aufweisen. Längerkettige Verbindungen waren nur in geringen Mengen nachweisbar, so dass sie für eine Sickerwasserprognose nur eine untergeordnete Rolle spielen sollten. Diese neue Elutionsmethode wurde bisher nur an einzelnen Proben getestet, sodass auch hier weiterführende Untersuchungen sinnvoll sind. Auf der Basis der verschiedenen erarbeiteten Methoden wird ein neues Schema für die Bewertung von Kohlenwasserstoffbelastungen unter Beachtung biogener und löslicher Anteile vorgeschlagen. Beide Forschungsstellen werden versuchen, die neu erarbeiteten Methoden (Feststoffuntersuchung und Elution) den entsprechenden Gremien des DIN und der LAGA vorzustellen, um so zu einer effizienten Verbreitung der Methoden beizutragen. 80

83 Abbildung 4.54:Chromatogrammausschnitt der Alkanfraktion des Rheinüberschwemmungsgebietes zur Ermittlung des biogenen KW-Anteils Abbildung 4.55: Perkolationsapparatur Perkol 2 81

84 Abbildung 4.56: Elution wassergefährdender KW im Säulenversuch Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen BG gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dr. Christine Kube +49 (0) Die Erzeugung motorentauglicher Brenngase aus der Vergasung von Biomasse Der Einsatz nachwachsender Rohstoffe zur Energieerzeugung durch dezentrale Verbrennungsoder Vergasungsanlagen wird vor dem Hintergrund der Schonung der Ressourcen fossiler Brennstoffe und aus umweltpolitischen Gesichtspunkten gefordert. Bei der thermischen Verwertung von Alt- und Resthölzern besitzt die Vergasungstechnik gegenüber der Verbrennung prinzipielle Vorteile, da aus dem produzierten Brenngas mit einem Gasmotor oder einer Gasturbine direkt Strom erzeugt werden kann. Für den dezentralen Einsatz sind vor allem Festbettvergaser und bei diesen insbesondere Gleich- und Gegenstromvergaser interessant. Neben den Hauptbestandteilen H 2, CO, CO 2, CH 4 und N 2 enthält das Produktgas der Biomassevergasung noch höhermolekulare Kohlenwasserstoffe (Teer) und Staub, die eine Nutzung des Pro- 82

85 duktgases ohne Aufbereitung nicht erlauben. Zum Einsatz in einem Gasmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie soll das Brenngas einen maximalen Teergehalt von 100 mg/m 3 und einen Staubgehalt von 50 mg/m 3 nicht überschreiten. Die Rohgaswerte von Vergasungsanlagen bezüglich Teer- und Staubgehalt liegen deutlich über den Anforderungen, die von den Herstellern von Gasmotoren gefordert werden. Es ist also erforderlich, vor einer Nutzung der Produktgase aus Biomassevergasungsanlagen eine Gasreinigung bzw. Gaskonditionierung durchzuführen. Um die gewünschte Gasqualität für die motorische Nutzung des Brenngases bereit zu stellen, verfolgt IUTA zwei unabhängige Verfahren. Zum einen wird das Brenngas aus einem Gegenstromvergaser mittels eines katalytischen Verfahrens aufbereitet (der spaltenden Hydrierung und der partiellen Oxidation), und zum anderen wird ein neues Vergasungskonzept verfolgt, das eine nachgeschaltete Gasreinigung weitgehend überflüssig macht. Dazu betreibt IUTA einen Festbettvergaser mit einer Leistung von 100 kw thermisch und einen von IUTA entwickelten und patentierten kombinierten Gegenstrom-/ Gleichstrom - Vergaser. Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen BG gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Ing. Andrew Berry +49 (0) Kombivergaser zur energetischen Nutzung von Alt- und Restholz Die hohen Anforderungen bezüglich Teer- und Staubgehalte der Gasmotoren und Gasturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie verhindern bislang die direkte Nutzung des in einem Festbettvergaser erzeugten Brenngases. Bei der erforderlichen Gasreinigung und -kühlung vor der Nutzung im Motor oder der Turbine fallen hochsiedende Kohlenwasserstoffe und Kondensate an, die aus wasserunlöslichen Teerkomponenten, Feststoffen und aus Produktwasser, das mit einer Vielzahl löslicher, organischer Substanzen verunreinigt ist, bestehen. Problematisch ist, dass sich die hochsiedenden Kohlenwasserstoffe (Teere) in den Rohrleitungen vor und in den Motoren ablagern und so zu Störungen führen. Auch existiert keine wirtschaftliche Lösung zur Wasseraufbereitung. Um die Vorteile der Gleichstrom- und der Gegenstromvergasung zu nutzen und ihre Nachteile auszuschließen, wurde am IUTA ein kombiniertes Vergasungsverfahren entwickelt, aufgebaut und erprobt. 83

86 Durch die Kombination beider Vergasertypen wird ein heizwertreiches Brenngas mit sehr niedrigem Gehalt an kondensierbaren Stoffen erzeugt. Dadurch wird die energetische Nutzung des Gases ohne aufwändige Gasreinigung möglich. Die erste Stufe des kombinierten Vergasers ist als Gegenstromvergaser ausgelegt. Das Vergasungsmittel Luft durchströmt den Brennstoff von unten nach oben. Als Produkt entsteht ein Brenngas mit hohem Teer- und niedrigem Staubgehalt. Das Brenngas wird am Kopf des Reaktors abgezogen und durch die Gasleitung zum Gleichstromreaktor geführt. Am Boden des Gegenstromreaktors befindet sich das Koksschleusensystem, welches den unkontrollierten Eintritt des Vergasungsmittels aus dem Gegenstromreaktor in den Gleichstromreaktor verhindert. Der durch den ersten Rost fallende, koksartige Brennstoff wird dem Gleichstromreaktor zugeführt. Dem Koks wird im Gleichstromreaktor nochmals Vergasungsmittel zugegeben, so dass Temperaturen von C am Feinrost erreicht werden. Das Brenngas aus dem Gegenstromreaktor wird durch diese heiße Zone geleitet, dabei werden die Teere gecrackt und der Restkohlenstoff im Koks vergast. Erste Vergasungszone Brennstoff Vergasungsmittel Nach der Crackzone wird das Brenngas durch Vergasungsmittel die Brenngasleitung aus dem Reaktor abgezogen und kann nach vorheriger Kühlung und Schwachgas Feinreinigung z. B. einem Gasmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie zugeführt Asc he werden. Die durch den zweiten Rost fallende Asche wird am Boden des Reaktors durch ein Ascheschleusensystem, welches das Eindringen von Falschluft verhindert, abgezogen. Durch die zweistufige Verfahrensauslegung kann die Temperaturführung an den Rosten und die Wahl des Vergasungsmittels variabel gestaltet werden. So ist es z. B. möglich, die erste Vergasungsstufe (Gegenstromvergaser) mit Luft zu betreiben und in der zweiten Vergasungsstufe (Gleichstromvergaser), Sauerstoff einzusetzen. Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht beim Verhältnis der Volumenströme an Vergasungsmittel im Gleichstrom- zu Gegenstromreaktor. Ko ks Zweite Vergasungszone Sc hwa c h- gas Abbildung 4.57: Funktionsskizze des IUTA-Kombinationsvergasers Ansprechpartner Dipl.-Ing. Andrew Berry +49 (0)

87 4.5 Energietechnik / Brennstoffzellentechnik Energietechnik Ausstattung Thermobildkamera Messtechnik und Auswertesoftware für Energieanalysen Leistungsspektrum Durchführung von Energieanalysen in der Industrie Branchenenergiekonzept für die Papierindustrie Die deutsche Papierindustrie gilt als die umsatz- und produktionsstärkste in Europa, und ist zugleich einer der größten Energieverbraucher. Aufgrund der energie- und rohstoffintensiven Herstellungsprozesse ist der Kostenfaktor Energie für die Papierindustrie von erheblicher Bedeutung. Um die Papierindustrie in ihrem Bemühen um einen effizienteren Energieeinsatz und die Reduzierung der spezifischen CO 2 -Emissionen zu unterstützen, startete im August 2005 das Projekt Branchenenergiekonzept für die Papierindustrie. Ziel ist die Erstellung von Konzepten zur rationellen Energienutzung. Im Rahmen des Projekts werden konkrete und branchenspezifische Maßnahmen zur Einsparung von Energie und Kosten bzw. zur Steigerung der Energieeffizienz erarbeitet. Die Ergebnisse sowie wertvolle Tipps zum Thema Energieeinsparung werden in einem Praxisleitfaden Rationelle Energienutzung in der Papierindustrie und in einer kostenlosen Informationsbroschüre veröffentlicht. Das Projekt wird von der Arbeitsgemeinschaft Papierindustrie geleitet. Die Projektgruppe besteht aus dem Institut für Energie- und Umwelttechnik e.v. (IUTA), der PTS Papiertechnischen Stiftung in München, dem Aachener Ingenieur- und Beratungsbüro EUtech GmbH sowie dem Lehrstuhl für Technische Thermodynamik (LTT) der RWTH Aachen. Eine wesentliche Rolle spielen darüber hinaus Unternehmen der Papierindustrie. Für und mit den Betrieben werden technisch und wirtschaftlich sinnvolle Maßnahmen zur Reduzierung von Energieeinsatz, von CO 2 -Emissionen und Energiekosten erarbeitet. Der erste Arbeitsschritt im Projekt war die Aufnahme der Ausgangsbasis. Es wurde eine breit angelegte, bundesweite Unternehmensbefragung mit dem Ziel einer umfangreichen Datenermittlung durchgeführt. Auf der Basis dieser Befragung werden die wesentlichen energiewirtschaftlichen Eckdaten und typischen Kennzahlen der Branche ermittelt. 85

88 Abbildung 4.58: Ansicht einer Papiermaschine (Nasspartie) [Foto: ] In einem weiteren Arbeitsschritt werden detaillierte Energieanalysen in ausgewählten, für die Branche repräsentativen Papier- und Tissuefabriken durchgeführt. Bei den bisher durchgeführten Energieanalysen zeigten sich wesentliche Einsparpotenziale im Bereich der bedarfsgerechten Heizwärmeversorgung unter Nutzung des Wärmeinhaltes der Hallenabluft. Weitere Potenziale bestehen im Ausbau der Wärmerückgewinnung aus der Haubenabluft sowie der Optimierung der Lufttechnik in der Trockenpartie. Im zuletzt genannten Fall werden beispielsweise, um Kondensation in der Haube sicher zu vermeiden, gelegentlich zu hohe Luftmengen eingesetzt. Damit steigt üblicherweise der Dampfverbrauch zur Aufheizung der Haubenzuluft auf Temperaturen von 110 bis 120 C, bei Tissuemaschinen auch weit darüber, beträchtlich an. Ferner kommt es vor, dass bei der Steigerung der Produktion und damit der in der Trockenpartie verdampften Wassermenge keine ausreichende Anpassung der lufttechnischen Einrichtungen vorgenommen wird. Zur Vermeidung von Kondensation in der Trockenhaube muss die zugeführte Luftmenge ausreichen, den entstehenden Wasserdampf aufzunehmen. Dabei ist das Verhältnis von Haubenzu- zur Haubenabluft möglichst beizubehalten, um optimale Strömungsverhältnisse in der Haube aufrecht zu erhalten. Wird beispielsweise nur die Abluftmenge erhöht, so entsteht in der Haube ein Unterdruck und nicht temperierte Hallenluft strömt in die Haube nach. Dies kann zu Taupunktsunterschreitungen führen und erfordert einen höheren Dampfeinsatz in der Trockenpartie. Die Energiebilanz der Trockenhaube wird dabei aber nicht schlechter, da gleichzeitig eine geringere Zuluftmenge aufgeheizt werden muss. Eine einseitige Erhöhung der Haubenzuluft führt hingegen zu einem unkontrollierten Ausströmen heißer, feuchter Haubenluft in die Halle. Nachfolgende Abbildung 4.59 zeigt exemplarisch die Luftströme einer Trockenpartie, bei der durch die Erhöhung der Papiermaschinengeschwindigkeit die mit der Haubenabluft stündlich abzuführen- 86

89 de Wassermenge von 4,5 auf 5,8 t ansteigt. Links sind die Luftverhältnisse vor der Optimierung, rechts nach der Optimierung dargestellt. Haubenzuluft neu Haubenzuluft neu Haubenabluft kg/h Haubenabluft kg/h kg/h Vorher WT Heizregister kg/h Nachher WT Heizregister 5.800kg/h Wasser 5.800kg/h Wasser TROCKENHAUBE TROCKENHAUBE kg/h kg/h Leckluft aus Halle Leckluft aus Halle Abbildung 4.59: Haubenbilanz vor und nach Optimierung Um die größere Wassermenge sicher abzuführen und dabei eine Kondensation der Abluftfeuchte nach der Wärmerückgewinnung zu vermeiden, ist eine Erhöhung der Haubenluftmenge notwendig. Dies wurde ausschließlich durch Anpassung der Haubenabluftmenge erzielt; die ursprüngliche Zuluftmenge wurde beibehalten. Dadurch bedingt entsteht in der Haube Unterdruck, wodurch der Anteil an einströmender Hallenluft (Leckluft) steigt. Die bei 80 C anfallende Abluft hat nach der Wärmerückgewinnung noch eine Temperatur von 55 C, woraus eine tolerierbare Wasserbeladung von rund 80 g/kg resultiert. Zunächst wird die Abluftmenge auf kg/h eingestellt, obwohl eine Abluftmenge von kg/h ausreichend wäre. Allein durch die adäquate Anpassung der Haubenabluft werden in Jahresbetriebsstunden MWh, entsprechend t Dampf, eingespart. Zusätzlich reduziert sich der aus der Halle in die Haube eintretende Luftstrom von auf kg/h. Durch einen hohen Anteil an kalter Hallenluft, der in die Trockenhaube eintritt, sinkt üblicherweise die Temperatur in der Haube signifikant, und es kann zur Unterschreitung der Taupunkttemperatur kommen. Aufgrund der großzügigen Dimensionierung der Trockenpartie kann dies im betrachteten Fall vermieden werden. Durch Erhöhung des Zuluftanteils auf 70 % der Abluftmenge in einem weiteren Optimierungsschritt lässt sich die Leckluft weiter auf kg/h reduzieren.diese Maßnahme wirkt sich auf den Energiebedarf zur Hallenheizung aus, indem in der Heizperiode (es werden

90 Tage jährlich angenommen) ein geringerer Energiebedarf für die Erwärmung der Hallenluft benötigt wird. Durch die sukzessive Reduzierung des Leckluftanteils konnten 315 MWh bzw. 460 t Dampf eingespart werden. Insgesamt konnten der jährliche Dampfbezug durch diese Einzelmaßnahmen, die nur geringe Investitionen erfordern, um t Dampf reduziert und Einsparungen in Höhe von mehr als /anno realisiert werden. Darüber hinaus wurden Leckagen im Druckluftnetz, zu hohe und nicht dem Bedarf angepasste Leistungsaufnahmen an den Pumpenantrieben und bei Vakuumanlagen und Optimierungspotenzial bei der Frischdampfversorgung festgestellt. Hier bieten sich Einsatzmöglichkeiten für Dampfturbinen oder Dampfmotoren, die das Enthalpiegefälle zwischen Frischdampf und dem niedriger gespannten Heiz- und Prozessdampf zur Eigenstromerzeugung nutzen. Weitere branchenspezifische Einsparpotenziale sind besonders im Bereich der Stoffaufbereitung und hier des Konstantteils sowie allgemein beim Wasserkreislauf zu finden. Die vorgeschlagenen Maßnahmen erstrecken sich auf eine Prozessoptimierung hinsichtlich der Betriebszeiten, z.b. von Refinern, eine Erhöhung der Systemtemperatur des Wasserkreislaufs durch Abwärmenutzung und eine Anpassung der Pumpenantriebe an den jeweiligen Betriebszustand, z.b. durch die Installation von Frequenzumrichtern. Durchschnittlich sind Einsparpotenziale von 5 bis 10 % der derzeitigen Energiekosten zu erwarten. Die Projektergebnisse werden der Fachöffentlichkeit im Rahmen von Seminaren sowie durch Veröffentlichungen wie dem oben erwähnten Branchenleitfaden im zweiten Halbjahr 2007 vorgestellt. Gefördert wird das Projekt vom Ministerium für Wirtschaft, Mittelstand und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen im Förderschwerpunkt Branchenenergiekonzepte des REN-Programms. Der Projektträger Energie, Technologie, Nachhaltigkeit (ETN) im Forschungszentrum Jülich begleitet die Bearbeitung inhaltlich. Ferner stellt die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) Fördermittel für das Projekt bereit. Ansprechpartner Dipl.-Ing. Monika Vogt +49 (0)

91 Formeln statt Zahlen Referenzwerte für den Energiebedarf und die CO 2 -Emissionen Im Rahmen des im Jahr 2006 abgeschlossenen AiF ZUTECH Projekts Nr. 158 Z Produktbezogene Referenzwerte zur Bestimmung von Emissionsintensitäten und zugehörigen Kostenreduktionspotenzialen in kmu wurde das Ziel verfolgt, eine Verfahrensanweisung zur Bewertung der Energieund CO 2 -Emissionsintensität ausgewählter Anlagen zu erstellen. Die Analyse befasste sich mit Anlagen aus den folgenden fünf Branchen: Energiewirtschaft Baustoffindustrie Glasindustrie Keramikindustrie sowie Herstellung von Papier und Papierfaserstoffen. Für die Analyse der drei zuerst genannten Branchen war der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik (LTT) der RWTH Aachen verantwortlich, während IUTA mit den Branchen Keramikindustrie und Papierindustrie befasst war. Vor dem Hintergrund wachsender Klimaschutzanforderungen gewinnt die Bewertung von Produktionsanlagen hinsichtlich ihrer Emissionen sowie der damit verbundenen Energieeffizienz zunehmend an Bedeutung. Als Basis für diese Bewertung wurden in diesem Forschungsprojekt Formeln entwickelt, die die wesentlichen Einflussgrößen auf den Brennstoffbedarf und die CO 2 -Emissionen der betrachteten Anlage berücksichtigen. Die Darstellung in Form von Funktionen anstatt von Zahlenwerten ermöglicht es, Hemmnisse bei der praktischen Anwendung zu mindern. Die Referenzformeln befähigen somit Unternehmen, die eigenen Anlagen im Vergleich mit der besten verfügbaren Technik zu bewerten. Durch die Referenzformeln können bestehende Verbesserungspotenziale leichter identifiziert und quantifiziert werden. Die Methodik wird anhand der Abbildung 3 verdeutlicht. Zunächst wurden die wissenschaftlichen Grundlagen für eine Bewertung der technologischen Potenziale und für einen objektiven Vergleich der Emissionsintensität von Anlagen gleichen Typs geschaffen. Wichtig war hierbei die Diskussion über Grenzen von Referenzwerten in ihrer Anwendung. Mit den entwickelten Referenzformeln können die tatsächliche Energieeffizienz und die CO 2 - Emissionsintensität einer Anlage bewertet werden. Hinsichtlich der CO 2 -Emissionen wurde dabei zwischen energie- und prozessbedingten Emissionen unterschieden. Es wurde gezeigt, dass eine Reduktion der prozessbedingten CO 2 -Emissionen nur durch eine geringere Produktion erreicht werden kann. Für die Energiewirtschaft wurden die anlagenspezifischen Referenzformeln für die Produktion von Strom, Wärme sowie für die Kraft-Wärme-Kopplung entwickelt. Das Verfahren wurde hinsichtlich seiner Praxistauglichkeit überprüft. Die Beispiele zeigen, dass das Verfahren realitätsnahe Ergebnisse liefert und das tatsächliche Verbesserungspotenzial gut wiedergibt. Dabei wurden grundsätzlich nur wenige, in der Praxis zugängliche Daten benötigt. Damit ist das entwickelte Verfahren auf der Grundlage von anlagenspezifischen Referenzformeln in der Praxis gut anwendbar. Bei Kraft- Wärme-Kopplung ist in den Referenzformeln der Integrationsvorteil gegenüber der getrennten Er- 89

92 zeugung von Strom und Wärme erkennbar. Die Berücksichtigung anlagenspezifischer Merkmale, wie bei den Beispielen der KWK-Anlagen (Kraft-Wärme-Kopplung) gezeigt, fördert dabei die Transparenz des Systems und trägt zu einer breiten Akzeptanz bei. Abbildung 4.60: Darstellung der Methodik Auch für die Glasindustrie wurden die anlagenspezifischen Referenzformeln beispielhaft entwickelt und hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit überprüft. Das Beispiel zeigt, dass das Verfahren realitätsnahe Ergebnisse liefert und das tatsächliche Verbesserungspotenzial gut wiedergibt. Dabei wurden wiederum nur wenige, in der Praxis zugängliche Daten benötigt. Die Referenzformel für den Energiebedarf für die Glasindustrie weist mit der Qualitätszahl noch eine Unsicherheit auf. Die Quantifizierung der Qualität in Form der eingeführten Qualitätszahl war im Rahmen des Projektes jedoch nicht möglich. Die Vertreter der Glasindustrie sind der Auffassung, dass die entwickelte Referenzformel die relevanten Einflussfaktoren für den Energiebedarf und die CO 2 - Emissionen bei der Glasherstellung auch für Nicht-Fachleute transparenter macht und daher bei Diskussionen mit Behörden und Politikern hilfreich sein wird. Für die Kalk- und Zementindustrie war auf Grund der unzureichenden Datenlage nur eine theoretische Bewertung möglich. Die wesentlichen Einflussfaktoren wurden zwar bestimmt, konnten jedoch nicht vollständig quantifiziert werden. Die komplexen Wechselwirkungen der Einflussfaktoren erfordern zumindest umfangreiche Messungen, die im Rahmen dieses Projektes nicht vorgesehen waren. Die vorhandenen Literaturwerte wurden von den Branchenvertretern als nicht praxisnah eingestuft. Daher wurden für die Kalk- und Zementindustrie im Rahmen des Projektes keine Referenzformeln erstellt. Für die Keramikindustrie wurde der Schwerpunkt auf die Ziegelindustrie gelegt. Die maßgeblichen Einflussfaktoren zum Aufstellen von Referenzformeln wurden identifiziert. Allerdings reichte auch in 90

93 der Ziegelindustrie die Datenlage nicht für die Quantifizierung aller Einflussfaktoren aus. Von den Branchenvertretern wurde zudem darauf hingewiesen, dass die verfügbaren Literaturwerte nicht praxisnah seien. Systematische Untersuchungen an Anlagen, die die realen Betriebszustände abbilden, fehlten. Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen der Einflussfaktoren, insbesondere hinsichtlich Rohstoffzusammensetzung und Auslastung, wurden lediglich Ansätze zur Herleitung von produkt- und technologiebezogene Referenzformeln für den Energiebedarf und die CO 2 -Emissionen am Beispiel der Ziegelindustrie dargestellt. In der Papierindustrie setzt sich der Energiebedarf aus einem mechanischen Anteil sowie einem thermischen Anteil zusammen. Für beide Anteile wurden die anlagenspezifischen Referenzformeln ermittelt. CO 2 -Emissionen sind in der Papierindustrie nur für solche Anlagen relevant, bei denen die Energie zum Trocknen der Papierbahn ganz oder teilweise durch Erdgasbrenner aufgebracht wird. Für diese Anlagen wurde ebenfalls eine Referenzformel entwickelt. Analog zur Energiewirtschaft und der Glasindustrie liefert das Verfahren für die Papierindustrie realitätsnahe Ergebnisse. Zusätzlich zu den Analysen der Branchen wurden Methoden zur Berücksichtigung der durch CO 2 - Emissionen entstehenden Kosten in der Energiekosten- und Investitionsrechnung zusammengestellt. Die verschiedenen Verfahren wurden auf Beispiele der Energiewirtschaft und der Papierindustrie angewandt. Damit wurde eine Anleitung zur Bestimmung einer Grenzkostenkurve der möglichen Reduktionsmaßnahmen bereitgestellt, da letztendlich nur die Wirtschaftlichkeit entscheidet, welche organisatorischen Maßnahmen bzw. technischen Alternativen zur CO 2 -Minderung umgesetzt werden. Die anlagenspezifischen Referenzformeln stellen ein wertvolles Instrument für die energetische Bewertung von Produktionsanlagen hinsichtlich Brennstoffbedarf und CO2-Emissionen dar. Insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen sind ohne umfangreiche Recherchen in der Lage, ihr Energie- und CO2-Emissionsreduktionspotenzial zu quantifizieren. Weiterhin profitieren auch Dienstleister, die mit energiewirtschaftlichen Fragestellungen von kmu beauftragt sind. Die Projektergebnisse werden über die Internetseite publiziert. Für die verschiedenen Branchen und Teilergebnisse werden hierbei jeweils Leitfäden in separaten Dokumenten als Download bereitgestellt. Zur Unterstützung der Arbeit von Ingenieur- und Planungsbüros wurden die produktbezogenen Referenzwerte und die Methoden zur Ermittlung der CO 2 -Emissionskosten zudem in eine am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik entwickelte Software zur Konzeption, Bewertung und Optimierung industrieller Energieversorgungssysteme integriert. Die Software wurde um die betriebswirtschaftliche Betrachtung der CO 2 -Emissionen ergänzt. Zudem wurde ein Modul zur Bestimmung der Referenzwerte entwickelt. Die Software ermöglicht somit die Berechnung von Referenzwerten für einzelne Energieversorgungsanlagen und unterstützt Ingenieurbüros und andere Dienstleister bei der Bewertung dieser Anlagen. Das Modul zur Bestimmung von Referenzwerten für Energieversorgungsanlagen sowie das zugehörige Benutzerhandbuch stehen über die Internetseite unter der Adresse als Download zur Verfügung. 91

94 Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Ing. Monika Vogt +49 (0) Brennstoffzellentechnik Ausstattung PEM-Brennstoffzellen verschiedener Hersteller im Leistungsbereich von 10 W el bis 150 W el PEM-Brennstoffzellen-Teststände mit LabVIEW-Steuerung, ausgestattet jeweils mit: o Einzelzellspannungsüberwachung o Elektronische Last o Gasmischsystem o Gasbefeuchtungssystem (verschiedene Systeme) o Brennstoffzellen-Thermostatisierung und Kühlung o Kondensationssystem für das aus der Brennstoffzelle ausgetragene o Produkt- und Befeuchtungswasser Leistungsspektrum Die Arbeitsgruppe Brennstoffzellentechnik beschäftigt sich sowohl mit anwendungsorientierten Entwicklungen, als auch mit grundlagenorientierten Untersuchungen von Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzellen und Gesamtsystemen (PEM-BZ-Systeme). Es stehen zwei Versuchsstände zur Verfügung, mit denen PEM-Brennstoffzellen charakterisiert und vermessen sowie grundlegende Untersuchungen vorgenommen werden können. Es können praktisch alle Betriebsparameter definiert variiert werden. Zudem kann das kathodisch und anodisch anfallende Produktwasser quantitativ auskondensiert werden, um es z. B. auf Inhaltsstoffe chemisch zu analysieren. 92

95 Schwerpunkt der F&E-Tätigkeiten war im Berichtszeitraum unter Anderen das Thema Wasser in der Brennstoffzelle. So wurde einerseits die Entwicklung eines Regelsystems zur optimierten Befeuchtung von PEM-Brennstoffzellen vorangetrieben, andererseits wurden grundlegende Untersuchungen zum Wasserhaushalt in PEM-Brennstoffzellen vorgenommen. In einem zum Ende des Berichtszeitraums begonnenen AiF-Vorhaben mit der Kennziffer wird ein chemisch-analytisches Verfahren entwickelt, um Membranbruchstücke und durch Membrandegradation entstehende Abbauprodukte in dem aus der Brennstoffzelle ausgetragenen Wasser quantitativ zu erfassen. Aus den Daten sollen sowohl Rückschlüsse auf die dem Membranabbau zu Grunde liegenden Mechanismen gezogen werden, als auch Schwachstellen der verwendeten Membranen aufzeigt werden. Mit den gewonnenen Ergebnissen wird der Projektpartner ICVT (Institut für Chemische Verfahrenstechnik an der Universität Stuttgart) PEM-Membranen weiterentwickeln mit der Zielstellung, diese robuster und leistungsfähiger zu machen. Ein neuer Schwerpunkt der Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der effektiven Kühlung von und der effektiven Wärmeauskopplung aus PEM-Brennstoffzellen. Im Herbst wurde dazu ein neues Projekt begonnen, in dem eine Verdampfungskühlung für PEM-Brennstoffzellen entwickelt wird. Die im Tätigkeitsbericht 2005 angekündigte Versuchsanlage zur Wasserstofferzeugung für Brennstoffzellen aus organischen Materialien mit überkritischem Wasser wurde mit Mitteln des Landes NRW und der EU beschafft, installiert, in Betrieb genommen und in ersten Versuchen mit einem einfachen organischen Energieträger mit vielversprechenden Ergebnissen erfolgreich getestet. Im Folgenden werden beispielhaft vier der im Berichtszeitraum bearbeiteten Projekte erläutert: Regelsystem für PEM-Brennstoffzellen Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines preiswerten Regelsystems zur optimierten Befeuchtung für PEM-BZ-Systeme kleiner und mittlerer Leistung, welches einen zuverlässigen Betrieb von BZ- Systemen über den gesamten dynamischen Leistungsbereich bis zur Maximalleistung sicherstellt. An einem Brennstoffzellen-Versuchsstand wird untersucht, wie das Leistungsverhalten eines Brennstoffzellen-Stacks von der Temperatur und dem Befeuchtungsgrad der zugeführten Gase abhängt. So werden für jeden Betriebszustand die optimalen Befeuchtungsparameter ermittelt, um ein parallel vom Projektpartner TEE (Technik der Energieversorgung und Energieanlagen an der Universität Duisburg-Essen) entwickeltes Brennstoffzellen-Regelmodul programmieren zu können. Die durchgeführten Messungen geben einen guten Einblick in das Betriebsverhalten des vermessenen Brennstoffzellen-Stacks hinsichtlich der notwendigen Befeuchtung. Folgende Indizien deuten auf eine unzureichende Befeuchtung des Stacks hin: Gleichzeitiges Absinken der Spannungen mehrerer Zellen Absinken der Spannungen insbesondere der mittleren Zellen Kontinuierlicher Spannungsabfall aller Einzelzellen Der Stack erreicht nicht seine Nennleistung Folgende Indizien deuten auf einen zu feuchten Betrieb des Stacks hin: 93

96 Absinken der Spannungen nur einzelner Zellen Spannungseinbruch insbesondere der äußeren Zellen Spannungsabfall einzelner Zellen erfolgt schlagartig Schneller Spannungsanstieg der abgefallenen Zellen möglich Trotz des starken Abfallens einzelner Zellen kann der Stack seine Nennleistung erreichen Die beschriebenen Beobachtungen lassen sich gut mit der sich im Betrieb einstellenden Temperaturverteilung im Stack korrelieren. Die äußeren Zellen des Stacks sind prinzipiell kälter, da dort die entstehende Reaktionswärme besser abgeführt werden kann. Daher werden bei zu feuchtem Betrieb eher die äußeren Zellen des Stacks durch kondensierende Wassertröpfchen blockiert, was zu Spannungseinbrüchen zunächst dieser Zellen führt. Diese Wassertröpfchen können im Flow-Field jedoch auch aus der Zelle herausgedrückt werden, sodass die Zelle dann schnell wieder die ursprüngliche Leistung liefert. Im Gegensatz dazu ist das Austrocknen des Stacks ein kontinuierlicher Prozess, der viele nebeneinanderliegende Zellen betrifft. Da der Stack in der Mitte die höchsten Temperaturen aufweist, trocknen zunächst die inneren Zellen aus. Im Gegensatz zu dem zu feuchten Betrieb ist bei zu trockener Fahrweise kein schlagartiges Regenerieren der Zellen möglich. Einem zu trockenen Betrieb muss durch eine höhere Befeuchtung entgegengewirkt werden. Dabei werden die abgesunkenen Zellen jedoch nur langsam wieder ihre ursprüngliche Leistung zurückgewinnen. Die gewonnenen Ergebnisse werden als Grundlage für einen Regelalgorithmus des am TEE entwickelten Regelmoduls genutzt. Abbildung 4.61: Mit einer Thermobildkamera der ZBT ggmbh aufgenommene typische Temperaturverteilung im Brennstoffzellen-Stack während des Betriebs 94

97 Abbildung 4.62: Abhängigkeit der Einzelzellspannungen eines 20-zelligen Stacks von der Stromentnahme bei zu trockenem Betrieb: Bereits bei 5 A Stromentnahme sinken praktisch alle Zellspannungen schnell ab. Abbildung 4.63: Abhängigkeit der Einzelzellspannungen eines 20-zelligen Stacks von der Stromentnahme bei zu feuchtem Betrieb: Der Stack liefert zwar insgesamt eine gute Leistung, jedoch sinken die Spannungen einzelner Zellen zwischendurch schlagartig ab, da die Gaskanäle durch Wassertröpfchen blockiert werden. Ist das Wassertröpfchen aus der Zelle ausgetragen, wird wieder die ursprüngliche Zellspannung erzielt. 95

98 Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen 14199N gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dr. Stefan Peil +49 (0) Wasserhaushalt von PEM-Brennstoffzellen Trotz zahlreicher Fortschritte bei der Entwicklung von Polymerbrennstoffzellen sind wesentliche technische Probleme bisher ungelöst. Die Schwierigkeiten, eine optimale Befeuchtung der Membrane sicherzustellen, schränken die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der verfügbaren Brennstoffzellen bisher stark ein. Eine genaue Abbildung und Regelung des Wasserhaushaltes der Membranen scheiterte bisher an den fehlenden analytischen Methoden, die Transportvorgänge von Wasser durch die Membran zu quantifizieren. In dem durchgeführten Vorhaben wird eine neuartige experimentelle Methode angewandt, mit der erstmalig die analytische Unterscheidung zwischen Befeuchtungswasser und Produktwasser beim Betrieb einer Brennstoffzelle möglich ist. Schweres Wasser bzw. Deuteriumoxid als Befeuchtungswasser läßt sich mithilfe eines FTIR-Spektrometers sehr gut von dem in der Brennstoffzelle durch die Brennstoffzellenreaktion gebildeten Produktwasser (H 2 O) quantitativ unterscheiden. Durch die Methode der Anodengasbefeuchtung mit schwerem Wasser ist es so möglich die Stoffströme durch die Membran zu bestimmen. Die mit diesem Verfahren bestimmten Stoffbilanzen werden in einem dreidimensionalen Simulationsmodell umgesetzt und dienen zur verbesserten Auslegung von Brennstoffzellen. Mit den zur Verfügung stehenden neuen Bipolarhalbplatten (siehe Abbildung) besteht die Möglichkeit, die Messungen am realen System für das Einstellen der Modellparameter zu verwenden. Damit sind die Voraussetzungen für ein relativ zügiges Lösen der Modellgleichungen gegeben. Wenn das Modell an die Realität angepasst worden ist, kann durch Austausch der Bipolarhalbplatten die Unabhängigkeit der gewonnenen Ergebnisse von den Kanalstrukturen verifiziert werden. Sollten diese Untersuchungen erfolgreich verlaufen, steht ein Werkzeug zur Verfügung, um mit dieser analytischen Methode das numerische Brennstoffzellenmodell an unterschiedliche MEAs und Gasverteiler anzupassen und rechnergestützt Befeuchtungsszenarien zu überprüfen. 96

99 Abbildung 4.64: Füßchen -Flow-Field einer Bipolar-Halbplatte und Strömungsmodell mit der Gasverteilung in dieser Flow-Field-Struktur (Quelle: Universität Duisbug-Essen, Energietechnik, C. Jansen) Das Forschungsvorhaben Entwicklung und Validierung eines Simulationsmodells für den Wasserhaushalt von PEM-Brennstoffzellen mit der Nummer 14461N wird aus Haushaltsmitteln des BMWi über die AiF gefördert. Ansprechpartner Dipl.-Ing. J. Wartmann +49 (0) Dipl.-Ing. K. Helle +49 (0) Entwicklung einer Verdampfungskühlung für PEM-Brennstoffzellen Um einen möglichst hohen Brennstoffausnutzungsgrad bei PEM-Brennstoffzellen (PEM-BZ) zu erzielen, ist es sinnvoll, auch die anfallende Abwärme der Brennstoffe zu nutzen. Die Betriebstemperatur innerhalb einer Niedertemperatur PEM-BZ ist durch das Material der Membran auf ca. 80 C beschränkt. Dadurch lässt sich mit einer konventionellen Wasserkühlung eine nutzbare Temperatur von max. 55 C auskoppeln. Somit eignet sich die anfallende Wärme nur zur Nutzung in einem 40/30 C Niedertemperatur-Heizkreis. Die meisten Heizungssysteme arbeiten jedoch mit einem 97

100 Verhältnis von Vorlauf- zu Rücklauftemperatur von 70/50 C. Die Nutzung eines PEM Brennstoffzellenheizgerätes ist in einer solchen Heizungsanlage somit nur mit einem zusätzlichen Brenner möglich. Auch bei der zentralen Brauchwassererwärmung kann dieses System nicht ohne weiteres eingesetzt werden, da die Hygienevorschriften eine erreichbare Temperatur von min. 60 C im Speicher vorschreiben. Mit der Entwicklung eines neuartigen Kühlverfahrens soll das Temperaturniveau der Abwärme eines PEM Brennstoffzellensystems weiter angehoben werden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll zusammen mit den Projektpartnern ZBT in Duisburg und IWTT in Freiberg eine Verdampfungskühlung für PEM-BZ mit einem flüssig-gasförmigen Phasenwechsel entwickelt werden. Forschungsziele sind: Entwicklung eines dampfschlagfreien Verdampfers hoher Leistungsmodulation, der an die Bedürfnisse von PEM-Brennstoffzellen optimal angepasst ist und die Grundlage für eine spätere kostengünstige Fertigung legt. Entwicklung von Modellen des Wärmeübergangs beim Sieden in porösen Medien zur Auslegung und Konstruktion der Verdampfungskühlung in den PEM- Brennstoffzellen. Entwicklung eines verdampfungsgekühlten PEM-BZ-Stacks im Leistungsbereich von 200 Watt und Nachweis seiner Funktionsfähigkeit im Versuchsbetrieb. Neben der Erhöhung der Nutztemperatur bietet die Verdampfungskühlung noch weitere Vorteile. Durch die nahezu identischen Ein- und Austrittstemperaturen des Kühlmediums kann der Stack auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Es können somit Hot Spots im Stack vermieden werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Wärme auch innerhalb eines BZ-Gesamtsystems zu nutzen, z. B. durch Einkopplung in ein Reformersystem, und den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Die Verdampfungskühlung arbeitet nach dem Prinzip des Wärmerohrs (heatpipe). Das Kühlmedium wird mit einer Temperatur knapp unterhalb des Siedepunkts in den Stack geleitet. Durch die Wärmeaufnahme entlang der Bipolarplatte verdampft das Kühlmedium. In den Bipolarplatten ist ein offenporiges Medium eingebettet, welches die Fluidverteilung und die ortsstatische Verdampfung gewährleisten soll. Auf Grund der Komplexität der Verdampfungsvorgänge in (offen)porösen Medien erfordert diese Entwicklung die Durchführung von praktischen Experimenten und von Simulationsrechnungen. In den ersten Arbeitsschritten wurde mit der Auslegung des Kühlsystems begonnen. Vornehmlich standen die Auswahl eines geeigneten Verdampfungsmediums und eines porösen Materials sowie die Auslegung eines entsprechenden Teststands im Vordergrund. 98

101 Abbildung 4.65: Schematischer Aufbau des Teststandes Verdampfungskühlung Abbildung 4.66: Rohrbündelwärmetauscher des Kondensationsbehälters 99

102 Das Projekt wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen 225ZB6 gefördert. Betreuende Mitgliedsvereinigung der AiF war der Verein zur Förderung der Energie- und Umwelttechnik e.v. (VEU). Ansprechpartner Dipl.-Ing. Georg Moldenhauer +49 (0) Brenngaserzeugung für Brennstoffzellen Die Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologie findet immer häufiger Anwendungen in Industrie und Alltag. Eine Wasserstoffversorgung, vor allem dezentral, bleibt jedoch schwierig. Am IUTA wird ein Versuchsprogramm mit einer Pilotanlage durchgeführt, mit der Wasserstoff durch Reaktion organischer, sowohl fossiler als auch biogener Energieträger mit überkritischem Wasser (T > 374 C, p > 221 bar) erzeugt werden soll. Während für relativ einfache, niedrigsiedende Energieträger (z. B. Erdgas, Methanol) Reformierungssysteme auch für mobile Anwendungen zur Verfügung stehen, befindet sich die Reformierung von komplexen Energieträgern (z. B. Diesel oder Kerosin) noch in der Entwicklungsphase. Bei der Durchführung des Projektes liegt der Schwerpunkt zunächst darauf zu demonstrieren, dass das sogenannte SCWO-Verfahren (SuperCritical Water Oxidation) prinzipiell zur Wasserstofferzeugung aus verschiedenen flüssigen, schwer zu reformierenden organischen Materialien geeignet ist. Als organische Materialien werden Dekan (eine Modellsubstanz für Diesel), Kerosin, Diesel, Altöl und Biobrennstoffe (Biodiesel, Bioethanol, Biomethanol) dienen. Der Versuchsplan sieht vor, dass schrittweise der Umsatz immer schwieriger zu reformierender Substanzen mit überkritischem Wasser untersucht wird. Allerdings kann der Prozess potenziell auch zur Beseitigung praktisch beliebiger organischer Abfälle unter Gewinnung von Wasserstoff verwendet werden. Im Herbst wurde die Versuchsanlage im IUTA zusammen mit dem Hersteller der Anlage, der Estanit GmbH / Mülheim, in Betrieb genommen. Aus Sicherheitsgründen ist die Anlage in einer einsehbaren, von allen Seiten geschlossenen aber nach oben offenen Zelle, untergebracht. Der Testbetrieb mit reinem Wasser verlief problemlos. Es wurden Drücke bis 350 bar und Temperaturen bis zu 650 C realisiert. In den ersten Versuchen wurde Methanol als organischer Energieträger eingesetzt. Die Ausbeuten an Wasserstoff und Kohlendioxid lagen sehr nah an den theoretisch erzielbaren Werten, die Mengen an Methan und Kohlenmonoxid blieben niedrig. Die Gaszusammensetzung und die entwickelte Gasmenge lassen erkennen, dass der Umsatz des Methanols bei nahezu 100 % lag. Dies zeigt die 100

103 sehr gute Eignung des SCWO-Verfahrens zur Wasserstofferzeugung aus Methanol. In den nächsten Schritten werden weitere Energieträger (z. B. Glyzerin, Hexan, Dekan, Diesel, Kerosin) sowie Versuche zur Ermittlung der Grenzbelastung des Systems durchgeführt. Zusätzlich werden bei der Durchführung des Vorhabens Betriebserfahrungen gesammelt und es werden materialtechnische und verfahrenstechnische Verbesserungen erarbeitet. Mit der während des Vorhabens gesammelten Wissens- und Datenbasis (z. B. Werkstoffe, Reaktorgeometrie, Wärmeeinkopplung, Fertigungstechnik, Prozessparameter) werden Auslegungsdaten für eine Skalierung der Versuchsanlage sowohl zu größeren, als auch zu kleineren Anlagen erarbeitet. Dies soll eine zukünftige Vermarktung der SCWO-Technologie für mobile und dezentrale Anwendungen (Wasserstoffversorgung für Brennstoffzellen) und für zentrale Großanwendungen (Kraftwerksankopplung) vorbereiten. Abbildung 4.67: SCWO-Versuchsanlage 101

104 Abbildung 4.68: Mit einem Schutzkäfig umgebene SCWO-Versuchsanlage Druck in MPa 27.6 Temperatur in C Pumpenzahl (aktiv) Rohrdurchmesser 650 (320 Vorheizer) 2 Pumpe 1: Wasser Pumpe 2: Wasser dann Methanol- Lösung 6,35 mm (1/4") außen 2 mm (0,078") Wandstärke Methanolgehalt in Vol.- % ~ 7,3 Kontaktzeit in s R e (Strömungszustand) 1,7 11 ml/min: 5.5 ml/min Wasser 5.5 ml/min CH 3 OH-Lsg (Übergang) Gasmenge in l/min 2 Entwickelte Gasmenge in l /mol org. Substrat 97 l/1,236 mol Umsatz in % 96 % Abbildung 4.69: Anlagen- und Betriebsparameter bei den Versuchen zur Umsetzung von Methanol mit dem SCWO-Verfahren 102

105 80 Ausbeute in % Methanol H2 Theoretische Ausbeute, % H2,% CO2 Theoretische Ausbeute, % CO2, % CO, % CH4, % Abbildung 4.70: Ausbeuten an relevanten Produktgasen im Vergleich zur theoretischen Ausbeute Die Versuchsanlage wurde aus Mitteln des EU-Strukturfonds kofinanziert und im Rahmen des Ziel 2 Programms unter Beteiligung des Wirtschaftsministeriums NRW gefördert. Die F&E-Arbeiten an der Versuchsanlage werden aus Mitteln des EU-Strukturfonds kofinanziert und im Rahmen des Ziel 2 Programms unter Beteiligung des Innovationsministeriums NRW über den Projektträger ETN am FZ Jülich GmbH im Rahmen des REN-Programms (Förderkennziffer T-186) gefördert. Ansprechpartner Dr. Yevgeny Makhynya +49 (0)

106 4.6 Umweltmedizin / Analytik Der Bereich Umweltmedizin/Analytik befasst sich mit der Untersuchung und Minimierung von Kontaminationen am Arbeitsplatz und in der Umwelt. Dabei werden zum Nachweis der Schadstoffe und ihrer Abbauprodukte, zur Untersuchung von Eintrags- und Verbreitungspfaden sowie zur Kontrolle der Effektivität von Schutz- und Dekontaminationsverfahren leistungsfähige Analysenverfahren eingesetzt. Diese Methoden wurden überwiegend im IUTA entwickelt; sie werden laufend erweitert und verbessert. Im technischen Bereich werden innovative Lösungen für Schutzsysteme, persönliche Schutzausrüstungen sowie Reinigungs- und Dekontaminationsverfahren erarbeitet. Ergänzt werden diese Aktivitäten durch entsprechende Fortbildungsseminare und wissenschaftliche Veranstaltungen sowie die Mitarbeit in offiziellen Gremien und Ausschüssen. Der Bereich besteht derzeit aus fünf fest angestellten Wissenschaftlern, drei Doktoranden, sechs technischen Mitarbeitern sowie zahlreichen wissenschaftlichen und studentischen Hilfskräften. Darüber hinaus werden die in den wissenschaftlichen Projekten durchzuführenden Experimente in Form von Bachelor- und Diplom- und Masterarbeiten bearbeitet Abteilung Arbeitsschutzrelevante Pharmaka Viele in der Human- bzw. Veterinärmedizin eingesetzte Arzneimittel haben bereits in sehr geringen Konzentrationen ein erhebliches toxisches und ökotoxisches Potenzial. Dazu gehören die vorwiegend in der chemotherapeutischen Krebsbehandlung eingesetzten Zytostatika, Antibiotika, Immunsuppresiva, Virustatika und Hormone. Bei Produktion, Lagerung, Transport, Zubereitung, Anwendung und Entsorgung dieser Stoffe sowie kontaminierter Materialien sind wirksame Maßnahmen zum Schutz der Beschäftigten und der Umwelt erforderlich. Trotz sehr hoher Sicherheitsstandards lassen sich jedoch in Monitoringstudien häufig Belastungen des Arbeitsplatzes sowie der Mitarbeiter nachweisen, so dass hier weiterhin Handlungsbedarf besteht. Der Bereich Umweltmedizin am IUTA beschäftigt sich mit Forschung und Entwicklung zur Verbesserung des Arbeits- und Umweltschutzes beim Umgang mit toxischen Arzneimitteln. Dabei arbeitet IUTA mit einer Vielzahl von Kliniken und Apotheken, Standesorganisationen, Vertretern der pharmazeutischen Industrie, Anbietern von Schutzausrüstungen sowie wichtigen Behörden des Arbeitschutzes zusammen. Folgende Arbeitsschwerpunkte sind Gegenstand unserer Forschung: Untersuchung von Freisetzungsmechanismen, Vorkommen und Verhalten von Pharmazeutika und deren Metaboliten Dampfdrucke, Sublimationsverhalten und Luftkonzentrationen (gasförmig und partikelgebunden) pharmazeutischer Substanzen Beseitigung von Arzneimittelkontaminationen von Medikamentenverpackungen, Textilien und Oberflächen Test und Verbesserung von Schutzausrüstungen für den Umgang mit Zytostatika Fort- und Weiterbildungen für den Umgang mit Zytostatika und anderen hochwirksamen Arzneimitteln 104

107 Ausgewählte Forschungsprojekte in 2006 Im Auftrag der Berufsgenossenschaft für Gesundheitsdienst und Wohlfahrtspflege (bgw) wird derzeit eine groß angelegte Monitoringstudie durchgeführt. Im Verlauf dieser Studie werden in 130 Klinik- und Offizinapotheken in einem Zeitraum von zwei Jahren regelmäßig Wischproben zur Erfassung der Arbeitsplatzbelastung mit acht verschiedenen Zytostatika genommen. Primäres Ziel der Studie ist die Untersuchung des Einflusses eines standardisierten regelmäßigen Monitorings auf den Belastungslevel. Daneben werden eine Vielzahl wichtiger Daten zu Räumlichkeiten, Verbrauchsmengen, Arbeitsweise, Sicherheitsstandards etc. erfasst, um anhand der Korrelation mit den Messwerten, Mechanismen und Bedingungen der Entstehung und Verbreitung von Kontaminationen aufzuklären. Die statistische Auswertung der Daten erfolgt durch das Institut für Medizinische Statistik, Informatik und Epidemiologie der Universität zu Köln (IMSIE). Abbildung 4.71: Wischprobennahme Dienstleistungen Die verschiedenen Monitoringverfahren, d. h. den Nachweis und die Quantifizierung der inneren und äußeren Belastung des Arbeitsplatzes und der Mitarbeiter, bietet IUTA für eine Vielzahl toxischer Arzneimittel auch als Dienstleistung an. Diese Angebote werden intensiv von Kliniken und Apotheken im In- und Ausland sowie in zunehmendem Maße von Pharmafirmen und Forschungseinrichtungen genutzt. Ansprechpartner Dr. rer. nat. Thekla Kiffmeyer +49 (0) Dipl.- Chem. Jochen Türk +49 (0)

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